纳米复合物及其掺杂的X7R型钛酸钡基介电陶瓷的制备和表征

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X7R型多层陶瓷电容器(MLCCs)是一种介电常数温度稳定性较好的电子器件,具体要求是:在-55℃和+125℃的温度范围内,陶瓷的电容量相对于室温(25℃)电容量的变化率在-15%和+15%之间,室温介电损耗低于2.5%。当前,X7R型陶瓷电容器低烧、高介和薄层化的发展趋势要求陶瓷材料的组成和微观结构得到有效的设计和控制。陶瓷粉体的超微细化以及掺杂剂的纳米复合化是高性能陶瓷材料制备工艺的发展方向。BaTiO3-Nb2O5-Co2O3体系具有较高的介电常数与较好的温度稳定性,而且Nb2O5-Co2O3纳米复合氧化物能进一步显著地提高陶瓷的介电性能。本文在Nb2O5-Co2O3复合氧化物的制备过程中进一步添加Nd、Mn以及Zn-B-Si助烧剂组分,采用成本低廉,工艺简单的溶胶-自蔓延法分别制备了Nb-Co-Nd-Mn-O (NCNM)纳米复合物和Nb-Co-Nd-Mn-Zn-B-Si-O (NCNMZBS)纳米复合物,然后匹配溶胶-凝胶法制备的高纯钛酸钡粉体,欲通过上述两种纳米复合物掺杂剂制备高性能X7R型钛酸钡基介质陶瓷,同时有效地降低陶瓷的烧结温度。1.采用溶胶-自蔓延法制备NCNM纳米复合物和NCNMZBS纳米复合物,通过TG,FT-IR, XRD, TEM等方法研究了复合物的形成过程以及制备条件对复合物粉体相组成和微观形貌的影响。体系中柠檬酸根与硝酸根的物质的量之比为1时,自蔓延燃烧直接得到的粉体经500℃处理获得了粒径大小均匀,分散性好的纳米复合物粉体。NCNM粉体中形成了CoNb2O6和NdNbO4等复合氧化物;NCNMZBS粉体中含有CoNb2O6、ZnNb2O6、Zn(BO2)2、(Co,Zn)2SiO4和NdNbO4等复合氧化物。2.以NCNM纳米复合物为掺杂剂制备钛酸钡基X7R型介电陶瓷,研究了NCNM前驱粉体的热处理温度,体系中柠檬酸根与硝酸根的物质的量之比,NCNM的掺杂量和烧结温度对陶瓷微观结构和介电性能的影响。结果表明:掺杂1.40 wt%的纳米复合物(500℃处理)所得X7R陶瓷的烧结温度降低至1220℃,室温介电常数达到4930。进一步提高陶瓷的烧结温度至1260℃,X7R陶瓷的室温介电常数达到5350。与传统固相法制备的样品相比较,纳米复合物掺杂陶瓷的介电性能得到明显提高,烧结温度得到有效降低。3.以NCNMZBS纳米复合物为掺杂剂制备X7R型钛酸钡基陶瓷,研究了NCNMZBS前驱粉体的热处理温度,掺杂量,复合物中Zn-B-Si-O的含量和陶瓷的烧结温度对陶瓷相组成、微观形貌和介电性能的影响。结果表明:复合物掺杂量为2.20 wt%(其中Zn-B-Si-O占0.60 wt%)的陶瓷经1180℃烧结,室温介电常数为3940,介电性能满足X7R要求。NCNMZBS纳米复合物掺杂钛酸钡基陶瓷的烧结温度得到进一步降低,同时具有较好的介电性能。
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