高价B位掺杂钛酸钡基陶瓷的合成及其介电性能研究

摘要

BaTiO3具有钙钛矿结构，由于其特殊的介电、压电、电致伸缩、电光性质以及相应的电子学应用备受关注，主要用作多层陶瓷电容器(MLCC)的基质材料，而Y5V多层陶瓷电容器具有较高的电容量，可叠层最多，因而市场发展潜力较大。BaTiO3粉体的制备方法以及掺杂改性是电子陶瓷材料重要研究内容。在众多软化学法中，溶胶.自蔓延燃烧法和溶胶.凝胶法因化学成份均匀性好、纯度高、颗粒细、反应温度低，可容纳不溶性组份或不沉淀组份等优点而得到广泛的研究和应用。本论文以B位掺杂钛酸钡基陶瓷的制备和表征作为研究内容，以油酸作表面活性剂，采用溶胶-自蔓延燃烧法或溶胶-凝胶法制备分散性较好的B位掺杂改性的BaTiO3基纳米粉体及陶瓷，主要研究掺杂物的用量和制备工艺等对钛酸钡基纳米粉体和陶瓷的相组成、显微结构和介电性能的影响规律，以获得满足国际EIA规定的Y5V标准的钛酸钡基陶瓷的配方和工艺。主要研究内容如下： 1、以钛和钡的柠檬酸盐和硝酸盐为原料，采用溶胶.自蔓延燃烧法制备掺铌钛酸钡纳米粉体及其陶瓷。掺铌钛酸钡纳米粉体主要为立方相；当铌掺杂量增加到5.0mol％时，有Ba6TivO40相生成；烧结后陶瓷主要相组成为四方相；合适的掺杂量和烧结条件分别为1.0mol％和1250℃/2h，所得陶瓷具有较高的介电常数(5539)和较小的介电损耗(0.008)。 2、以油酸为表面活性剂，采用溶胶-凝胶法制备掺银量为1.0mol％的钛酸钡基纳米粉体(53 nm)，其主要相组成为立方相，经烧结后全部转化为四方相陶瓷。当[Ti(OBu)4]/[OA]比为1:1时所得粉体粒径尺寸分布较均匀、分散性较好。当[Ti(OBu)4]/[OA]比为1:1时，在900℃/2h预烧和1280℃/2h烧结得到致密的钛酸钡基陶瓷，其相对密度达到98.5％，室温介电常数高达7669，介电损耗仅为0.027。 3、以二月桂酸丁基锡作为锡源，采用溶胶-凝胶法制备掺锡钛酸钡纳米粉体及其陶瓷。在1000℃/2h预烧的掺锡钛酸钡粉体为立方相，且为完全取代的固溶体。合适的预烧和烧结条件分别为1000℃，2 h和1350℃/2 h时，所得陶瓷晶粒较小且致密性较好。随掺锡量的增大，介电常数呈先增大后减小的趋势，居里点向低温方向移动。当掺锡量为0.05mol％时，陶瓷的室温介电常数高达19235，介电损耗仅为0.042。在BaSnxTi1-xO3体系中，以BaS 0.05Ti0.95O3和BaS 0.20Ti0.80O3分别为高居里温度组元和低居里温度组元，通过选择合适组成的高低温组元比例和烧结条件(1300℃/2h)，采用混合烧结法获得介电温度稳定性较好的两相共存复相陶瓷。 4、采用Sol-Gel法制备锡、锆、稀土以及助烧剂铝硅氧化物等多组份掺杂的钛酸钡基纳米粉体及其陶瓷。研究结果表明，当掺钇量为0.07 mol％时，钛酸钡基陶瓷的介电温度稳定性较好。随掺锆量的增大，居里峰移向低温方向并展宽，介电常数呈先增大后减小的趋势；当掺锆量为0.11mol％的BaTiOs基陶瓷室温介电常数可高达5869，介电损耗仅为0.041。当掺锡量小于0.085moi％时，钛酸钡基陶瓷的介电性能在高温部分较好；当掺锡量增大到0.085 mol％以后，介电常数下降，介温谱峰形展宽，有利于提高材料的室温介电常数；并且掺锡量分别为0.07,0.085和0.10mol％的钛酸钡基陶瓷的介电温度稳定性达到国际EIA规定的Y5V标准。

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第一章文献综述

1.1钛酸钡纳米粉体的制备方法

1.1.1共沉淀法

1.1.2水热法

1.1.3液相包裹法

1.1.4水热电化学法

1.1.5低温直接合成法

1.1.6微乳液-溶剂热法

1.1.7溶胶-凝胶法

1.1.8溶胶-自蔓延法

1.2钛酸钡基陶瓷的掺杂改性研究

1.2.1 BaTiO3的A位掺杂改性

1.2.2 BaTiO3的B位掺杂改性

1.2.3稀土掺杂的研究

1.2.4助烧剂的研究

1.2.5复相陶瓷法

1.3“尺寸效应”

1.4选题思路和研究内容

第二章掺铌钛酸钡粉体及其陶瓷的制备与表征

2.1引言

2.2实验部分：

2.2.1试剂及仪器

2.2.2掺铌钛酸钡粉体及其陶瓷的制备

2.3结果与讨论

2.3.1掺铌量对钛酸钡粉体相组成和微观形貌的影响

2.3.2掺铌量对钛酸钡陶瓷相组成和微观形貌的影响

2.3.3烧结温度对掺铌钛酸钡陶瓷微观形貌及介电性能的影响

2.3.4掺铌量对钛酸钡陶瓷介电性能的影响

2.3.5不同制备方法对掺铌钛酸钡陶瓷的影响

2.4结论

第三章油酸辅助掺银钛酸钡粉体及陶瓷的制备和表征

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1试剂及仪器

3.2.2制备

3.3结果与讨论

3.3.1掺银的钛酸钡干凝胶的热分析

3.3.2掺银的钛酸钡干凝胶红外分析

3.3.3油酸用量对掺银的钛酸钡粉体相组成和微观形貌的影响

3.3.4掺银的钛酸钡陶瓷的相组成、微观形貌和介电性能

3.3.5钛钡比对掺银的钛酸钡陶瓷介电性能的影响

3.4结论

第四章B位掺锡钛酸钡粉体及其陶瓷的制备和表征

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1试剂及仪器

4.2.2掺锡钛酸钡粉体及其陶瓷的制备

4.2.3复相掺锡钛酸钡陶瓷的制备

4.3结果与讨论

4.3.1掺锡钛酸钡干凝胶的热分析

4.3.2掺锡钛酸钡干凝胶的红外分析

4.3.3掺锡量对钛酸钡粉体的相组成及其微结构的影响

4.3.4掺锡钛酸钡陶瓷的相组成及其微结构

4.3.5掺锡钛酸钡陶瓷的介电性能

4.3.6复相掺杂对钛酸钡陶瓷介电性能的影响

4.4 结论

第五章B位复合掺杂钛酸钡基陶瓷的合成及其介电性能探讨

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1试剂及仪器

5.2.2制备

5.3结果和讨论

5.3.1掺钇对钛酸钡基陶瓷的影响

5.3.2掺锡对钛酸钡基陶瓷的影响

5.3.3掺锆对钛酸钡基陶瓷的影响

5.4结论

第六章结论与进一步需展开的工作

6.1结论

6.2展望需进一步开展的工作

[参考文献]

硕士期间已发表的文章、申请专利及获奖情况

致 谢