BaTiO3基介质陶瓷“核-壳”结构的制备调控及其介电性能研究

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BaTiO3(BT)钙钛矿结构材料是一种重要的介电材料,由于其高的介电常数和优异的铁电性能,广泛应用于电子工业中,尤其是多层陶瓷电容器(MLCC)领域。BT基介质陶瓷会在居里温度点(130 oC)附近会出现介电常数剧烈增大的现象,无法满足极端恶劣工作环境的应用要求。“核-壳”结构被认为是一种增强BT基陶瓷介电温度稳定性的有效手段,构建和调控“核-壳”结构可以实现对陶瓷介电性能的优化,然而目前关于它的形成和稳定机制还缺乏深入研究。本文以BT基陶瓷中的“核-壳”结构为研究对象,采用水热法合成不同粒径的BT粉体作为核材料,研究BT核材料尺寸、壳材料特性、烧结制度等对“核-壳”结构和介电性能的影响规律。采用水热反应法合成了纯度高、结晶度高、粒径分布窄的高质量超细BT粉体介质材料,研究了原料Ba/Ti比、反应温度、反应时间和溶剂种类含量等因素对合成BT物相晶体结构、显微形貌、粒径尺寸的影响规律和作用机理,通过改变水热反应参数来调控BT的粒径大小,为包覆改性制备“核-壳”结构BT基陶瓷准备了核材料。以水热法合成的平均粒径尺寸分别为80 nm、120 nm和200 nm的三种BT粉体(分别缩写为BT-80、BT-120、BT-200)作为核材料,在固相或液相环境中混合包覆Nb2O5、MgO和0.3Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-0.7BT(0.3BZT-0.7BT)三种壳层材料,研究起始BT粉体粒径以及壳层材料特性对BT基陶瓷“核-壳”结构和介电性能的影响规律。结果表明采用较大粒径(200 nm)的BT粉体、较低固溶度和较慢扩散速率的壳层材料、显著抑制晶粒生长是导致陶瓷内部形成“核-壳”非均匀性结构的重要条件。MgO、BZT-BT比Nb2O5在BT中的扩散速率更慢,对晶粒生长过程抑制作用更大,从而更容易在陶瓷内部产生成分起伏,形成“核-壳”结构。采用化学包覆法制备了BT-120@x(0.3BZT-0.7BT)陶瓷,研究了不同烧结制度下陶瓷介电性能的变化规律,其中包覆含量x=1.0、保温0.5-2.0 h的陶瓷样品高温端介电温度稳定性都满足X8R电容器的应用要求,室温介电常数达到2000左右,具有比较优异的介电性能。研究了不同保温时间(0.5-6.0 h)对BT-120@1.0(0.3BZT-0.7BT)陶瓷结构、组分和性能的影响规律,通过TEM-EDS分析手段建立了“核-壳”结构与介电性能的关系。升高烧结温度和延长保温时间,为核和壳之间的离子扩散提供了较大驱动力,局部梯度区域不断减少,元素分布趋于均匀化,具有“核-壳”结构的晶粒不断消失减少,导致核层介电峰不断降低,最终核BT铁电畴结构消失,介电双峰变成单一弥散介电峰,陶瓷内部的“核-壳”非均匀性结构转变成均匀固溶体结构。在较低烧结温度和较短保温时间(0.5-2.0 h)下,扩散和晶粒生长过程有限,有利于“核-壳”结构的形成和保留,保证BT基介质陶瓷优异的介电温度稳定性。
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