高介高稳定性Y5P陶瓷电容器材料介电性能的研究毕业设计(论文).doc

I高介高稳定性Y5P陶瓷电容器材料介电性能的研究摘 要BaTiO3基陶瓷电容器是一类用途广泛的Ⅱ类陶瓷电容器，即低频高介陶瓷电容器由于其本身具有高介电常数、绝缘特性，并可以通过元素掺杂改性达到美国电子工业协会（EIA）标准Y5P（在-30℃到85℃范围内，温度稳定性达到△C/C≤10%）与X7R、X8R、Y5V等陶瓷电容器的要求，而成为各国材料科研人员的研究热点本文主要以BaTiO3-Nb2O5-Co3O4(BTNC)陶瓷系统为研究对象，研究添加不同掺杂物Bi4Ti3O12（BIT）、Bi0.5Na0.5TiO3（NBT）、CaCu3Ti4O12(CCTO)对系统介电性能的影响通过添加适量的掺杂物，达到提高系统介电常数和温度稳定性的目的实验结果表明： BIT掺杂量为6.0wt%(质量比)，烧结温度为1260℃的BTNC基陶瓷，其介电常数最高可达3000，温度稳定性△C/C≤15%； NBT掺杂量为2.4at%（物质的量比），烧结温度为1260℃的BTNC基陶瓷，其介电常数最高为2850，温度稳定性可以达到△C/C≤10%；在1130℃下烧结，掺杂2.0at% CCTO的BTNC基陶瓷，在室温到85℃范围内，介电常数可达到2800以上，温度稳定性△C/C≤5%。

关键词：钛酸钡，高温度稳定性，高介电常数，陶瓷电容器Investigation of Dielectric Properties of Y5P Ceramic Capacitors with High Temperature Stability and High Dielectric ConstantABSTRACT Barium titanate based ceramic capacitors were multi-functional materials, it belonged to low frequency and high dielectric ceramic capacitor, which was called Ⅱ type ceramics. Barium titanate based ceramic capacitors were Research focus to national Materials scientists because of its high dielectric constant, insulation performance and can be modified by doping to achieve the requirements of Electronic Industries Association (EIA) ceramic capacitors standard as Y5P, X7R, X8R, Y5V, etal. In this paper, the ceramic of BaTiO3-Nb2O5-Co3O4 (BTNC) systems was studied as the main object, in order to research the effect of the system dielectric properties by adding different dopants Bi4Ti3O12（BIT）、Bi0.5Na0.5TiO3（NBT）、CaCu3Ti4O12(CCTO). Adding appropriate amount of dopants can improve the dielectric constant and temperature stability. It was found that the the maximum dielectric constant of BTNC system, which was doped 6% BIT and sintered at 1260℃, was 3000, and the temperature stability was △C/C≤15%; the the maximum dielectric constant of BTNC system, which was doped 2.4% NBT and sintered at 1260℃, was 2850, and the temperature stability was △C/C≤15%; In the range from room temperature to 85 ℃, the the dielectric constant of BTNC system, which was doped 2% CCTO and sintered at 1130℃, reached 2800 or more, and the temperature stability was △C/C≤15%.KEY WORDS: barium titanate, high temperature stability, high dielectric constant, ceramic capacitors 目 录摘要 IABSTRACT II目录 III1 综述 11.1 引言 11.2 BaTiO3系陶瓷介质材料概述 11.2.2 BaTiO3的铁电性能 31.2.3 BaTiO3陶瓷介电-温度特性 31.3 “壳-芯”结构理论 41.4 BaTiO3陶瓷掺杂改性 51.4.1 等价掺杂 51.4.2 不等价掺杂 71.5 CCTO巨介电常数材料简介 81.5.1 CCTO的结构 81.5.2 CCTO的表征 91.5.3 CCTO巨介电特性的起源 101.6 本文研究的意义与目的 102 实验部分 112.1 实验原料 112.2 实验仪器 112.3 实验过程 122.3.1 掺杂物的预合成 122.3.2 陶瓷片式电容器的制备 132.4 性能测试 162.4.1 收缩率和密度测试 162.4.2 电性能的测试 173 分析与讨论 183.1 BIT掺杂对BTNC基陶瓷性能的影响 183.1.1 BIT掺杂对BTNC基陶瓷密度及烧结温度的影响 183.1.2 BIT掺杂对BTNC基陶瓷介温特性的影响 183.2 NBT掺杂对BTNC基陶瓷性能的影响 203.2.1 NBT掺杂对BTNC基陶瓷密度及烧结温度的影响 203.2.2 NBT掺杂对BTNC基陶瓷介温特性的影响 203.3 CCTO掺杂对BT基陶瓷性能的影响 213.3.1 CCTO掺杂对BT基陶瓷密度及烧结温度的影响 213.3.2 CCTO掺杂对BT基陶瓷介温特性的影响 223.4 CCTO掺杂对BTNC基陶瓷性能的影响 233.4.1 CCTO掺杂对BTNC基陶瓷密度及烧结温度的影响 233.4.2 CCTO掺杂对BTNC基陶瓷介温特性的影响 243.5 CCTO掺杂对BTNC基（稀土掺杂）陶瓷性能的影响 253.5.1 CCTO掺杂对BTNC基（稀土掺杂）陶瓷密度及烧结温度的影响 253.5.2 CCTO掺杂对BTNC基（稀土掺杂）陶瓷介温特性的影响 254 结论 27致谢 28参考文献 293 1 综 述1.1 引言 铁电陶瓷又称为 II 类低频电容器陶瓷，这类电容器多用于滤波、旁路和耦合等电子电路中，一般要求有极大的电容量，因此要求用介电常数很高的瓷料来制备。

以 BaTiO3陶瓷为代表的铁电体具有较高的介电常数，是制造铁电陶瓷电容器的基础材料，也是目前国内外应用最广泛的电子陶瓷材料之一[1]钛酸钡系列电子陶瓷是近几十年来发展起来的一类新型现代功能陶瓷虽然它的发展历史并不长，但由于其具有压电性、铁电性、热释电性等优良的介电性能，己成为现代功能陶瓷中最重要的一类，是电子陶瓷元器件的基础母体原料，被称为电子陶瓷的支柱在高介电常数系材料方面，具有极高介电常数的钛酸钡几乎是所有高介电常数材料的基体现在，钛酸钡已被广泛地应用于制备高介质陶瓷电容器、多层陶瓷电容器、PTC热敏电阻、动态随机存储器、谐振器、超声探测、温控传感器等各个方面钛酸钡系列电子陶瓷的发展历史还比较短，研究的深度和广度远不及金属和高分子材料近几十年来，世界各地主要工业国家都十分注意这方面的研究与开发，美国和日本始终处于领先的地位BaTiO3陶瓷的性能主要由其微观结构决定如：BaTiO3晶粒的异常长大会降低陶瓷的介电常数，而气孔和杂质相的增多会导致陶瓷介电损耗的增大均匀的微观结构是保证陶瓷具有高可靠性能的重要因素钛酸钡的掺杂方式对陶瓷的晶粒大小、均匀程度等有很大影响，进而强烈影响钛酸钡基陶瓷的电学性质。

因为细晶BaTiO3基陶瓷掺杂后会形成一种“壳-芯”结构，这种结构晶粒中包括连续变化的杂质梯度区，等价阳离子的BaTiO3顺电壳及未反应的BaTiO3铁电芯，对改善容量温度特性非常重要[3]通过添加CaCO3、MnO2、SrTiO3、ZrO2、V2O5、Bi2O3、Co3O4、Nb2O5、La2O3等等不同添加剂分析其掺杂机理及其对陶瓷温度特性、介电常数、介质损耗及击穿场强的影响，有利得到高介高稳定性陶瓷电容器材料，为其在电学、热学、光学等领域的广泛应用和对新型无铅陶瓷介质材料的研发提供了广阔的前景[2-12]1.2 BaTiO3系陶瓷介质材料概述1.2.1 BaTiO3的晶体结构BaTiO3是典型的铁电体，其钙钛矿具有三方相、斜方相、四方相和立方相等晶相以BaTiO3或BaTiO3基固溶体为主晶相的陶瓷是无铅陶瓷介质的代表性材料，在电子学、热学、光学等领域得到了广泛的应用立方BaTiO3晶体是理想的钙钛矿（CaTiO3）结构，如图1-1所示，每个晶胞含有一个分子结构，在120℃以上是稳定的在立方BaTiO3晶胞中，Ba2+处于立方体的顶角位置，Ba2+的配位数是12，因为周围有12个与之等距离的O2-离子包围着。

O2-处于立方体的面心位置，O2-的配位数为6，因为4个钡离子和2钛离子包围着O2-离子Ti4+则占据6个O2-组成的八面体孔隙的中间，所以Ti4+的配位数是6立方BaTiO3的晶格数约为0.4nm，在120℃时发生顺电-铁电相变，温度低于120℃时成为四方相图1-1 立方相BaTiO3晶体结构示意图[15]四方BaTiO3的结构亦属于钙钛矿型结构，只是晶格较理想钙钛矿型结构发生了畸变与立方BaTiO3比较，由于畸变使其c轴变长，a轴变短当温度在120℃以下时，钛离子沿c轴方向发生一定程度的位移，亦即钛离子沿c轴方向产生了离子位移极化，c轴方向为自发极化的方向这种极化是在没有外电场作用下自发进行的，通常称之为自发极化（Ps）由于钛离子位移，氧离子也偏离了它的对称位置四方BaTiO3中的自发极化主要有Ti4+离子位移对自发极化强度的贡献（约占31%），O2-离子的电子位移对自发极化强度的贡献（约占59%），其他离子对自发极化强度的贡献约占10%（这10%中，钛离子的电子位移对极化的贡献约为6%）轴率(c/a)的大小与自发极化Ps的强弱有密切的关系，可以从轴率(c/a)的大小来估计BaTiO3和BaTiO3基固溶体的自发极化强弱。

斜方相在-90-5℃之间是稳定的，其a轴方向为自发极化的方向，即自发极化沿着假立方晶胞的面对角线方向进行一个斜方BaTiO3晶胞包含2个BaTiO3分子单位，在-10℃下晶胞参数为a=0.5682nm。