钛酸锶钡及其复合材料的冷烧结制备与介电性能研究

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钛酸锶钡(BST)是一种重要的电子陶瓷材料,具有高介电常数、低介电损耗,在钡锶比为0~1范围内电性能连续可调,并有良好的稳定性及绝缘性,可在动态存储器、红外探测仪、陶瓷电容器等各种电子器件中广泛应用。但目前BST陶瓷较高的烧结温度(>1300℃)限制了该材料的实际应用,如何降低BST陶瓷的烧结温度成为国内外研究重点。冷烧结是一种可以显著降低陶瓷烧结温度的新型工艺,通过引入过渡液相,可在超低温下(<300℃)与压力共同作用实现陶瓷致密化。更重要的是,由于陶瓷和热塑性聚合物之间烧结温度的巨大差异,一步共烧陶瓷和热塑性聚合物制备复合材料的可能性不大。而冷烧结克服了这些工艺限制,使热塑性聚合物和陶瓷可以共烧形成致密的复合材料。本文采用冷烧结工艺,制备BST陶瓷及其复合材料,探究了冷烧结过程中过渡液相、工艺参数对BST陶瓷的影响,并在此基础上探究了聚四氟乙烯(PTFE)含量、石墨烯(GR)含量对BST基复合材料的影响。论文首先以微米级BST粉为研究对象,研究不同过渡液相对冷烧结BST陶瓷的影响。发现相对于去离子水和BST按化学计量比前驱液,以八水合氢氧化钡(Ba(OH)2·8H2O)作为过渡液相的冷烧结BST陶瓷效果更好。研究发现,引入质量分数为10%的Ba(OH)2·8H2O,在压力为250MPa,时间为2.0h,温度为275℃时,BST冷烧结后样品的相对密度为82.4%,对应的介电常数和介电损耗为228和19.7%(25℃、1k Hz)。相同工艺条件下,随着BST基体中引入PTFE含量的增高,BST/PTFE复合材料的相对密度、介电常数、介电损耗均降低。当引入体积分数为50%的PTFE时,BST/PTFE冷烧结后样品的相对密度为67.4%,对应的介电常数和介电损耗为76.3和5.7%(25℃、1k Hz)。Ba(OH)2·8H2O过渡液相的存在明显提升了BST/PTFE复合材料的介电常数,并且降低了介电损耗。采用溶胶凝胶法制备BST粉,最终得到平均粒径为243nm的BST亚微米粉。以BST亚微米粉为研究对象,探究了Ba(OH)2·8H2O含量对冷烧结BST陶瓷的影响以及PTFE含量对冷烧结BST/PTFE复合材料的影响。研究发现,当冷烧结压力为250MPa,时间为2.0h,温度为275℃,Ba(OH)2·8H2O质量分数为20%时,BST冷烧结后样品性能最好,样品的相对密度为92.8%,对应的介电常数和介电损耗为603和25.2%(25℃、1k Hz)。在此工艺条件下,BST基体中引入的PTFE含量越高,BST/PTFE复合材料的相对密度、介电常数、介电损耗越低。进一步探究冷烧结工艺得出,在冷烧结温度为275℃,压力为200MP的条件下,时间为2.5h时,引入体积分数为5%的PTFE,BST/PTFE冷烧结样品的相对密度约92.5%,介电常数达到500以上,介电损耗约10%(25℃、1k Hz)。为了进一步改进BST/PTFE复合材料的介电性能,在PTFE体积分数为5%的BST/PTFE体系中引入导电相石墨烯(GR)。探究得出,适量GR可以改善复合材料内各相之间的耦合,提高介电性能。GR质量分数为0.7%时,BST/PTFE/GR复合材料性能最优,介电常数约595,介电损耗约5.2%(25℃、1k Hz)。
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