LiBa2(Ta,Nb)5O15添加对BaTiO3基陶瓷介电性能的影响

摘要

随着航空航天、石油勘探等领域的快速发展，对多层陶瓷电容器的要求也越来越苛刻。为了保护环境，贯彻可持续发展战略，要求材料在无铅化的前提下，还需具有高介电常数、低容温变化率和低介电损耗。所以，探索开发具备优良温度稳定性的高介电无铅陶瓷电容器成为亟需解决的问题。目前，掺杂改性是优化BaTiO3(BT)陶瓷性能的主要方法，但是以钨青铜型化合物为主要改性剂制备温度稳定型BaTiO3基陶瓷的研究较为少见。本论文以BaTiO3为基体，分别以LiBa2Ta5O15(LBT)和LiBa2Nb5O15(LBN)为主要改性剂，同时向BaTiO3基体中添加不同含量的Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)，并引入一定量的Ca2+，通过产生压峰、移峰、弛豫等作用效果来改善BaTiO3陶瓷的温度稳定性。
　　首先，采用传统固相法制备(1-x)BaTiO3-xLiBa2Ta5O15(简称(1-x)BT-xLBT)陶瓷，探究不同添加量LiBa2Ta5O15对BaTiO3陶瓷温度稳定性的影响，并确定最佳添加量。研究结果表明，LiBa2Ta5O15具有较强的压峰效应，在固溶度范围内形成(1-x)BT-xLBT固溶体，起到细化晶粒的作用，此时陶瓷样品也表现出优异的介电性能。Ta5+取代B位的Ti4+，造成晶格微区成分的不均匀性增加，样品均呈现弥散相变，室温介电常数提高至2400～3000，温度稳定性明显得到改善。0.996BT-0.004LBT陶瓷样品表现出优异的温度稳定性，室温处的介电常数为3000，在22～125℃的温度范围内容温变化率(Temperature Coefficient of Capacitance，简称TCC)TCC≤±15％,tanδ＜0.02。
　　其次，制备了(1-x)BaTiO3-xLiBa2Nb5O15(简称(1-x)BT-xLBN)陶瓷，通过与添加LiBa2Ta5O15陶瓷的各项性能进行对比，研究结果表明，LiBa2Nb5O15可使BaTiO3保持更高的介电常数，温度稳定性更优。为了提高高温段的温度稳定性，向BaTiO3基体中添加不同含量Na0.5Bi0.5TiO3。0.92Na0.5Bi0.5TiO3-0.08BaTiO3-xLiBa2Nb5O15(简称0.92NBT-0.08BT-xLBN)陶瓷在99～365℃的温度范围内tanδ＜0.02。制备0.85BaTiO3-0.15Na0.5Bi0.5TiO3-xLiBa2Nb5O15(简称0.85BT-0.15NBT-xLBN)陶瓷，添加LiBa2Nb5O15使得陶瓷四方率降低、平均晶粒尺寸减小、成分不均匀性和结构无序加剧，样品由传统铁电体逐渐转变为弛豫铁电体，电滞回线出现“束腰”现象。样品0.85BT-0.15NBT-0.004LBN的室温介电常数为2500，在25～172℃的温度范围内TCC≤±15％，温度上限由125℃增加至172℃，温度稳定性得到改善。
　　最后，向BaTiO3基体中引入一定量Ca2+，进一步增大Na0.5Bi0.5TiO3的含量，制备组成为0.7Ba0.9Ca0.1TiO3-0.3Na0.5Bi0.5TiO3-xLiBa2Nb5O15(简称0.7BCT-0.3NBT-xLBN)的陶瓷样品。研究结果表明，Nb5+取代B位的Ti4+形成极化微区，根据超顺电态理论，该体系陶瓷样品呈现明显的弛豫现象。由于添加影响陶瓷晶粒中铁电区和非铁电区的分布，因而介温谱中出现双峰现象，两个峰的位置根据LiBa2Nb5O15添加量的不同而改变。0.7BCT-0.3NBT-0.005LBN陶瓷样品具有优异的温度稳定性，室温介电常数为2528，在0～140℃的温度区间内TCC≤±15％，在200～350℃的高温段内，该体系可保持良好的温度稳定性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．1．1 温度稳定型MLCC简介

1．1．2 温度稳定型MLCC的研究现状

1．2 钛酸钡的晶体结构与介电特性

1．3 钛酸钡基陶瓷的改性机理

1．3．1 移峰效应

1．3．2 展宽效应

1．3．3 “核-壳”结构

1．4 钨青铜型LiBa2(Ta，Nb)5O15的结构及特性

1．5 研究目的及主要内容

2 实验方案设计与研究路线

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 实验方案设计

2．4 实验工艺路线

2．4．1 LiBa2Ta5O15和LiBa2Nb5O15粉体的制备

2．4．2 LiBa2(Ta，Nb)5O15添加BaTiO3基陶瓷的制备

2．5 性能测试与表征

2．5．1 致密度测试

2．5．2 晶体结构表征

2．5．3 微观形貌表征

2．5．4 介电性能测试

2．5．5 温度稳定性测试

2．5．6 电滞回线测试

3 LiBa2Ta5O15添加BaTiO3陶瓷介电性能的研究

3．1 样品制备

3．2 结果与讨论

3．2．1 LiBa2Ta5O15(x=0～0．10)添加BaTiO3陶瓷的介电性能

3．2．2 LiBa2Ta5O15(x=0．002～0．01)添加BaTiO3陶瓷的物相结构分析

3．2．3 LiBa2Ta5O15(x=0．002～0．01)添加BaTiO3陶瓷的微观形貌分析

3．2．4 LiBa2Ta5O15(x=0．002～0．01)添加BaTiO3陶瓷的介电性能

3．2．5 LiBa2Ta5O15(x=0．002～0．01)添加BaTiO3陶瓷的铁电性能

3．3 本章小结

4 LiBa2Nb5O15添加对(1-x)BaTiO3-xNa0．5Bi0．5TiO3陶瓷介电性能的影响

4．1 样品制备

4．2 结果分析及讨论

4．2．1 LiBa2Nb5O15添加对BaTiO3基陶瓷温度稳定性的影响

4．2．2 LiBa2Nb5O15添加0．85BT-0．15NBT陶瓷的物相表征

4．2．3 LiBa2Nb5O15添加0．85BT-0．15NBT陶瓷的微观形貌

4．2．4 LiBa2Nb5O15添加0．85BT-0．15NBT陶瓷的弛豫行为

4．2．5 LiBa2Nb5O15添加0．85BT-0．15NBT陶瓷的温度稳定性

4．2．6 LiBa2Nb5O15添加0．85BT-0．15NBT陶瓷的铁电性能

4．3 本章小结

5 0．7Ba0．9Ca0．1TiO3-0．3Na0．5Bi0．5TiO3-xLiBa2Nb5O15体系陶瓷的介电性能

5．1 样品制备

5．2 结果与讨论

5．2．1 0．7BCT-0．3NBT-xLBN体系陶瓷的致密度分析

5．2．2 0．7BCT-0．3NBT-xLBN体系陶瓷的物相表征

5．2．3 0．7BCT-0．3NBT-xLBN体系陶瓷的微观形貌

5．2．4 0．7BCT-0．3NBT-xLBN体系陶瓷的弛豫行为

5．2．5 0．7BCT-0．3NBT-xLBN体系陶瓷的温度稳定性

5．3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的学术成果

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