Ba0.6Sr0.4TiO3基电介质材料的柠檬酸盐法制备与介电非线性研究

摘要

Ba1-xSrxTiO3材料具有介电非线性强、居里温度随Sr含量线性可调等性能优点,在可电调微波介质器件中有广阔的应用前景。本论文研究柠檬酸盐法合成Ba0.6Sr0.4TiO3超细粉体的工艺方法及其工艺控制的化学原理,考察柠檬酸盐法制备Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷的烧结性能、结构和介电性能,分析在偏置电场作用下Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷样品内部极化机制的介电响应行为,研究采用超微细起始粉体制备的Ba0.6Sr0.4TiO3／MgO复合体系陶瓷的结构和介电性能随MgO含量的变化,探索采用丝网印刷法制备高质量Ba0.6Sr0.4TiO3基厚膜的工艺方法,探讨厚膜样品的介电性能与其显微结构的相关性。
　　 采用柠檬酸盐法合成了Ba0.6Sr0.4TiO3粉体,探讨了前驱体的热分解行为和合成产物的形成过程,研究了合成工艺条件对合成粉体的物相纯度和颗粒形态的影响。研究结果表明,热处理过程的升温速率对前驱体的热分解过程和物相的形成过程有显著影响；控制适当的升温速率有利于中间相(Ba,Sr)2Ti2O5·CO3在低温下分解,可以在550℃的热处理温度下合成出单一钙钛矿结构的Ba0.6Sr0.4TiO3粉体,比文献中报道的合成温度降低～250℃；合成粉体具有均匀细小的颗粒形貌,颗粒粒度为30nm-100nm。
　　 采用柠檬酸盐法合成的Ba0.6Sr0.4TiO3粉体制备了陶瓷样品,研究了烧结温度对Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷的烧结性能、结构和介电性能的影响。研究结果表明,柠檬酸盐法的合成粉体具有高的烧结活性,有效地降低了Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷样品的烧结温度,与常规固相法制备的陶瓷样品相比,柠檬酸盐法制备Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷样品的烧结温度降低了～140℃；烧结温度为1260℃的Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷样品具有晶粒细小均匀(～0.5μm)的显微结构,达到良好的综合性能:相对密度为95％；在10kHz的频率下,介电常数为3010,介电损耗为0.48％；在10kHz和20kV／cm的条件下,可调性为32.4％,优质系数为67.5。
　　 考察了Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷样品在偏置电场作用下的介电响应行为,研究了偏置电场的场历史对陶瓷样品介电性能的影响。研究结果表明,在Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷样品的立方顺电相基体中存在极性纳米微区(PNRs)；陶瓷样品在偏置电场下的介电性能对场历史非常敏感,与PNRs在强偏置电场作用下的不可逆极化响应行为有关；PNRs的极化对陶瓷样品的介电非线性具有重要的贡献,经过11次偏置电场循环扫描后,陶瓷样品可调性的变化率为35.1％；基于多重极化机制模型,通过拟合计算确定PNRs的尺寸为～10nm,其极化强度为～0.2μC／cm2。
　　 采用柠檬酸盐法合成的Ba0.6Sr0.4TiO3粉体和MgO超微细粉体制备出Ba0.6Sr0.4TiO3／MgO复合体系陶瓷,研究了低温烧结制备的复合体系陶瓷样品的结构和介电性能随MgO含量的变化规律及其机理。研究结果表明,MgO对Ba0.6Sr0.4TiO3／MgO复合体系样品的结构和介电性能的影响体现为掺杂效应和稀释效应两个方面,当MgO含量低于0.5wt％时,掺杂效应起主导作用,当MgO含量大于0.5wt％时,稀释效应起主导作用；烧结温度为1250℃时,组成为40wt％Ba0.6Sr0.4TiO3+60wt％MgO的复合体系陶瓷样品达到优异的综合介电性能:介电常数和介电损耗分别为230和0.11％(10kHz),可调性和优质系数分别为20.9％和190(10kHz和30kV／cm)。
　　 采用丝网印刷法制备了Ba0.6Sr0.4TiO3厚膜和40wt％Ba0.6Sr0.4TiO3+60wt％MgO厚膜,研究了丝网印刷工艺和烧结温度对厚膜样品的结构和介电性能的影响,并研究了厚膜样品的介电性能与显微结构的相关性。研究结果表明,采用超微细粉体制备厚膜有利于优化厚膜样品的显微结构和介电性能:丝网印刷法制备厚膜样品的多孔结构对其介电性能有显著影响,厚膜样品内部的界面极化机制是厚膜样品介电损耗较大的重要原因；烧结温度为1250℃时,Ba0.6Sr0.4TiO3厚膜样品具有优良的介电性能:介电常数和介电损耗分别为1030和1.40％(10kHz),可调性和优质系数分别为60％和43(10kHz和57kV／cm)。