降低CaCu3Ti4O12和(In0.5Nb0.5)xTi1-xO2陶瓷低频介电损耗的研究

摘要

介电材料是指利用材料的介电性质制造电容类器件的电子材料，被广泛应用于电容器、滤波器、谐振器和动态存储器等电子元器件，是通讯、汽车和家用电器等电子产品的基础材料。随着家用电器技术、医学技术和航海技术等的快速发展，对电子器件和电子产品的要求越来越高，这促使电子元器件不断向微型化、大容量化和高质量化方向发展。因此探究具有高介电常数、低介电损耗和性能稳定的介电材料具有重大意义。 近几年，钙钛矿结构的CaCu3Ti4O12 (CCTO)和施/受主双掺杂金红石型(In0.5Nb0.5)xTi1-xO2 (INTO)高介电陶瓷材料受到众多研究学者的关注，它们都同时具有异常高的介电常数、较低的介电损耗以及较好的室温频率稳定性和温度稳定性，但是CCTO和INTO陶瓷的低频介电损耗仍然较高，没有达到实际应用的要求。所以本论文以降低CCTO和INTO陶瓷的低频介电损耗为主要研究目的。 本论文采用溶胶-凝胶法制备了一系列CCTO陶瓷样品，对其晶体结构、微观结构和介电性质进行了分析研究。不同烧结温度的CCTO陶瓷都表现出高介电常数性质(ε′>104)，并且在烧结温度为1080oC时，介电性能较好，其在200 kHz频率以下的介电常数大于3×104，并且在1 kHz频率附近的介电损耗为0.028。采用传统固相反应法制备了一系列(In0.5Nb0.5)xTi1-xO2 (x=0.01，0.05和0.1)陶瓷样品，并且对其晶体结构、微观结构和介电性质进行了分析研究。结果显示，INTO陶瓷都表现出高介电常数性质 (ε′>104)，并且1350oC 烧结的x=0.05的INTO陶瓷的介电性能较好，在20 Hz–1 MHz频率范围内的介电常数大于1×104，并且在1 kHz频率附近介电损耗小于0.05。采用传统固相反应法制备了一系列NaCu3Ti3Sb0.5Ta0.5O12 (NCTSTO)陶瓷，通过考察NCTSTO陶瓷的复阻抗图谱，发现其具有绝缘性的晶界和半导性的晶粒，推断晶界的绝缘性来自CuO第二相，晶粒的半导性来自Cu2+/Cu1+，Ti4+/Ti3+，Sb5+/Sb3+和Ta5+/Ta3+的变价，NCTSTO陶瓷高介电性质起源于内部阻挡层电容效应。 此外，本论文制备了一系列CCTO/x(In0.5Nb0.5)0.05Ti0.95O2 (x=0，0.5，1和2) 复合陶瓷样品，分析了其晶体结构、微观结构和介电性质后，发现烧结温度为1040oC时，CCTO/INTO复合陶瓷的介电常数随着INTO比例的增大而降低，同时低频介电损耗也随之降低。在x=2时，介电常数大于2000，介电损耗在100 Hz–10 kHz附近降低至0.01以下，最低降至0.0073，并且保留了CCTO和INTO良好的室温频率稳定性和温度稳定性。 目前，大部分研究学者认为INTO的高介电性质起源于内部阻挡层电容效应(Internal Barrier Layer Capacitance，IBLC)。根据这一起源机制，增加晶界的绝缘性是降低INTO陶瓷低频介电损耗的有效途径，所以利用绝缘性良好的ZrO2包覆在INTO晶界表面形成具有核壳结构的陶瓷，提高晶界的绝缘性，减少漏电流，从而达到降低其低频介电损耗的目的。本论文制备了一系列INTO/xZrO2 (x=0，0.01，0.02，0.05和0.1) 复合陶瓷样品，测试其晶体结构、微观结构和介电性质后，发现INTO/ZrO2复合陶瓷虽然都表现出高介电常数性质，但是其介电损耗基本都大于0.1，没有达到预期的结果。将INTO/ZrO2复合陶瓷样品在800oC的空气气氛中退火后，介电损耗有明显的下降，其中烧结温度为1400oC、x=0.05的复合陶瓷样品在100 Hz–50 kHz范围内小于0.05，在3 kHz附近介电损耗低至0.02。为了明确INTO/ZrO2复合陶瓷低频介电损耗降低的原因，测试了退火前后陶瓷样品的复阻抗谱图，发现退火后陶瓷的晶界电阻有明显地提高，而晶粒电阻没有明显变化，所以推断晶界电阻的提高是导致INTO/ZrO2复合陶瓷低频介电损耗降低的主要原因。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 电介质材料、极化响应和主要参数

1.2 高介电材料

1.2.1 CaCu3Ti4O12高介电材料

1.2.2 (In0.5Nb0.5)xTi1-xO2高介电材料

1.3电子陶瓷的制备工艺

1.3.1 陶瓷粉体的制备

1.3.2 陶瓷样品的制备

1.4论文概要

第二章 CaCu3Ti4O12、NaCu3Ti3Sb0.5Ta0.5O12与(In0.5Nb0.5)

2.1 引言

2.2 CaCu3Ti4O12陶瓷的制备以及介电性质的研究

2.2.1 CaCu3Ti4O12陶瓷的制备

2.2.2 CaCu3Ti4O12陶瓷的表征分析

2.2.3 CaCu3Ti4O12陶瓷的介电性能分析

2.3 NaCu3Ti3Sb0.5Ta0.5O12陶瓷的制备以及介电性质的研究

2.3.1 NaCu3Ti3Sb0.5Ta0.5O12陶瓷的制备

2.3.2 NaCu3Ti3Sb0.5Ta0.5O12陶瓷的表征分析

2.4 (In0.5Nb0.5)xTi1-xO2陶瓷的制备以及介电性质的研究

2.4.1 (In0.5Nb0.5)xTi1-xO2陶瓷的制备

2.4.2 (In0.5Nb0.5)xTi1-xO2陶瓷的表征分析

2.4.3 (In0.5Nb0.5)xTi1-xO2陶瓷的介电性能分析

2.5 本章小结

第三章 CCTO/INTO复合陶瓷的制备以及介电性质的研究

3.1 引言

3.2 CCTO/INTO复合陶瓷的制备

3.3 CCTO/INTO复合陶瓷的表征分析

3.4 CCTO/INTO复合陶瓷的介电性能分析

3.5 本章小结

第四章 具有核壳结构的INTO/ZrO2复合陶瓷的制备以及介电性质的研究

4.1 引言

4.2 INTO/ZrO2复合陶瓷的制备

4.3 INTO/ZrO2复合陶瓷的表征分析

4.4 INTO/ZrO2复合陶瓷的介电性能分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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