论文部分内容阅读
随着电子工业的发展,多层陶瓷电容器（Multilayer Ceramic Capacitors,MLCCs）向着大容量、小型化以及高储能密度的方向发展,这就要求介质材料不仅具有细晶结构,而且还要有较高的电容量和储能密度,因此,提高陶瓷的击穿场强和介电常数成为关键因素。本文通过常压水相法可控合成了 BaTiO3以及Ba0.8Sr0.2Zr0.1Ti0.9O3（BSZT）微纳米粉体,采用沉淀法和溶胶-沉淀法在这些单分散BaTiO3和Ba0.8Sr0.2Zr0.1Ti0.9O3粉体表面进行La2O3、MgO或Al2O3改性材料以及SiO2或ZnO-B2O3-SiO2（ZBSO）助烧剂的双层包覆,以期得到具有较高介电常数和击穿场强的温度稳定性良好的细晶陶瓷材料,从而为MLCCs的储能应用奠定理论基础。主要研究内容如下:1、通过提高粉体的分散性和均匀性,以期制得BSZT基细晶陶瓷。首先采用常压水相法制得了单分散BSZT微纳米粉体,然后分别采用沉淀法和溶胶-沉淀法在BSZT粉体表面分别包覆介孔SiO2和介孔ZBSO,制得的BSZT@mSiO2和BSZT@mZBSO粉体分散性良好,“壳”层具有明显的介孔结构。BSZT@SiO2和BSZT@mSiO2陶瓷的最高介电常数分别为441和810,储能密度分别为0.21 J/cm3和0.27 J/cm3;BSZT@ZBSO和BSZT@mZBSO陶瓷的最大介电常数分别为563和716,储能密度分别为0.34 J/cm3和0.36 J/cm3。介孔材料包覆制备的陶瓷介电常数和储能密度相比于非介孔材料包覆的陶瓷较高,但还有待于进一步提高。2、首次试探通过双层“芯-壳”的思路来获得具有较高击穿场强的细晶陶瓷材料,以期开拓MLCCs用储能介质材料的研究新思路。通过常压水相法制备了单分散BaTiO3微纳米粉体,在其表面包覆稀土氧化物改性剂La2O3,在最外层包覆SiO2,制得了具有双层“芯-壳”结构的球形BaTiO3@La2O3@SiO2微纳米粉体,粉体具有较高的分散性和均一性;研究不同SiO2包覆量对粉体和陶瓷形貌、相组成以及陶瓷介电性质和储能性质的影响。粉体平均粒径约为280 nm,中间层La2O3厚度约为3 nm,最外层SiO2约为17nm。研究还发现,在所选SiO2包覆量范围内,陶瓷介电性能均符合X8R标准;随Si02包覆量增加,陶瓷介电常数和储能密度均先增大后降低;当Si02包覆量为6.0 wt%时,陶瓷介电常数达到最大,居里温度处介电常数达到3362:当SiO2包覆量为9.0 wt%时,陶瓷储能密度达到最大值0.54 J/cm3,对应击穿场强为13.6kV/mm。设计具有双层“芯-壳”结构粉体的思路来获得具有较高击穿场强的细晶陶瓷材料,将为MLCCs用于储能的研究奠定基础。3、为了提高材料耐压强度,制得具有较高储能密度的细晶陶瓷,通过弛豫铁电材料BSZT代替BaTiO3,高耐压材料MgO代替La2O3来提高耐压强度,并进一步改善其储能性质。采用常压水相法制得了单分散BSZT微纳米粉体,采用沉淀法在其表面包覆MgO,并采用溶胶-沉淀法在BSZT@MgO粉体表面进一步包覆ZBSO复合助烧剂,制得了具有双层“芯-壳”结构的球形BSZT@MgO@ZBSO微纳米粉体颗粒,粉体具有良好的分散性和均匀性;粉体平均粒径约为270 nm,MgO和ZBSO“壳”层厚度分别约为7 nm和14 nm。研究了不同ZBSO包覆量对粉体和陶瓷形貌、相组成以及陶瓷介电和储能性质的影响。研究发现,随着ZBSO包覆量的增大,陶瓷储能密度和介电常数先增大后降低,当ZBSO包覆量为2.0 wt%时,陶瓷介电常数达到最大值6026:当ZBSO包覆量为4.0 wt%时,陶瓷具有最大的储能密度约为0.71J/cm3,击穿场强从 BSZT@MgO 陶瓷的 17.4kV/mm 增大至 24.1kV/mm。可见,该材料相比BaTiO3@La2O3@SiO2的储能密度和耐压强度得到显著提高。4、通过在中间层添加Al2O3组分形成MgO-Al2O3的复合材料,且会形成高耐压的MgAl2O4尖晶石相,以期进一步提高陶瓷材料的耐压强度。采用沉淀法制得了具有双层“芯-壳”结构的BSZT@MgO-Al2O3@ZBSO微纳米粉体,MgO-Al2O3复合层和ZBSO的厚度分别约为8 nm和13 nm。研究了不同Mg/AlL比对陶瓷体系相组成、微观形貌以及介电和储能性质的影响。研究结果表明,随Mg/Al比减小,Al2O3包覆量增加,BSZT@MgO-Al2O3@ZBSO陶瓷击穿场强提高,陶瓷介电常数和储能密度先增大后降低;当Mg/Al比为2:1时,陶瓷具有最大介电常数3143,以及最大储能密度0.91 J/cm3,当Mg/Al比为1:1时,陶瓷具有最大耐压强度29.40 kV/mm。可见,该材料的耐压强度得到明显的提高,同时储能密度也明显增大。5、通过在中间层添加La2O3,以期进一步提高BSZT@MgO-Al2O3@ZBSO陶瓷体系的介电常数。采用沉淀法在中间层增加La2O3组分,制得了具有双层“芯-壳”结构的BSZT@MgO-Al2O3-La2O3@ZBSO微纳米粉体及其陶瓷材料。研究了不同La2O3包覆量对陶瓷相组成、微观形貌以及介电和储能性质的影响。研究结果表明:随La2O3包覆量的增大,陶瓷的介电常数和极化强度先增大后降低;当La2O3包覆量达到0.8 mol%时,陶瓷具有最高介电常数为4988,陶瓷的最大储能密度为1.06J/cm3,且当La203包覆量≦0.8 mol%时,陶瓷TCC符合X8R标准。可见,该材料的储能密度明显增大,而且其介电性能满足X8R特性,这将为开拓MLCCs用储能介质材料的研究提供新思路。