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本论文采用固相法制备CaCu3Ti4O12(以下简称CCTO)粉体,研究了添加剂含量及烧结方法等因素对CCTO陶瓷致密度、微观结构及电气性能等方面的影响。
选取V2O5为单一添加剂,Bi2O3-CuO为复合添加剂,实验结果表明:当V2O5的添加量为0.1％时,陶瓷形成一种大小晶粒交错堆叠的致密结构(P相对=95.97％),CCTO陶瓷的介电性能表现出较好的频率稳定性和温度稳定性,f=1kHz时εr=32038且tantδ=0.026,CCTO陶瓷的正反向非线性系数均大于10;固定V2O5的添加量,采用两步法烧结有助于提高陶瓷的压敏性能:当T2=1020℃时,P相对=97.59％,CCTO陶瓷的压敏性能较佳,正反向非线性系数均大于30,但是CCTO陶瓷介电性能变差,f=1kHz时εr=12232且tanδ=0.238。添加Bi2O3-CuO也得到类似的效果,当添加量为0.5％时,CCTO陶瓷最致密,P相对=97.71％,f=1kHz时εr=62675且tanδ=0.086,CCTO陶瓷的正反向非线性系数均大于3;采用两步法烧结,当T2=1000℃时,P相对=95.47％,CCTO陶瓷压敏性能较佳,正反向非线性系数均大于55,f=1kHz时εr=16222且tanδ=0.394。
在上述添加剂实验基础上,本论文还进行机理方面的探讨工作,一方面通过熔盐法处理工艺结合两步法烧结在CCTO陶瓷体内进行化学处理,制备不同介电常数和压敏性能的CCTO陶瓷样品:采用热腐蚀法处理样品的表面和断面,发现晶粒内部存在着区别于晶界的区域——畴界,且阻抗谱分析结果表明:除了晶界和畴界,CCTO陶瓷样品内部还存在由于缺陷而引起的其它高阻区;另一方面,通过物理方法在CCTO陶瓷表面磁控溅射一层不同厚度的Al2O3绝缘层,实验结果表明:虽然Al2O3绝缘层的引入使得CCTO陶瓷的电容率略有降低,但仍然在104数量级,且介电损耗变化不大:引入Al2O3绝缘层使得样品电阻增大,J-E特性曲线向高场强方向移动,但其非线性系数没有太大变化,这说明CCTO陶瓷的巨介电效应和压敏性能都是由于材料体内自身结构引起的。结合上述结论利用双Schottky势垒模型,同时引入势垒消失理论,初步解释CCTO陶瓷巨介电效应和优异压敏性能的缘由。同时,通过微接触电流-电压测试法测试CCTO陶瓷表面不同晶粒和晶界的I-V特性曲线验证了上述理论模型的合理性,并且通过简化公式定性地分析了添加剂法和熔盐法的相关实验结果。
最后,利用CCTO陶瓷巨介电效应和压敏性能成功地将其开发成外径为11.31mm和内径为6.65mm的三电极环形压敏电阻器,其厚度为0.89mm。各电极间介电性能和压敏性能差异较小,在f=1kHz时C＞32.92nF且tanδ＜0.74,正反向非线性系数均大于2.3且E10mA＜11.9V。与TDK公司VAR-18系列产品比较,CCTO环形压敏电阻器的电气性能与其基本持平,但CCTO陶瓷压敏电阻器在制备工艺上的优势,能有效地降低工业化生产成本,有望应用于直流电机的消噪方面。