BaxSr1-xTiO3介质材料掺杂改性及低温烧结研究

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随着电子信息行业及表面贴装技术的快速发展,片式多层陶瓷电容器(Multi-layer Ceramic Capacitor,简称MLCC)正趋向于小型、大容量、低成本、无铅、中高压、高性能化及高频方向发展。中高压MLCC需具有高耐压特性,同时为节能降耗和降低器件制造成本,需满足低温共烧技术(Low Temperature Co-fired Ceramics,简称LTCC)的要求,以便与低成本内电极共烧。因此,开发耐压特性好、烧结温度低、抗还原性瓷料成为当今中高压陶瓷材料的研究热点。钛酸锶钡陶瓷(BaxSr1-xTiO3,简称BST)具有可调的介电性能及较高的耐压特性,是中高压片式多层陶瓷电容器材料的研究热点。目前国内外对BST陶瓷的改性研究主要集中在湿化学制备及铅改性等方面,烧结温度较高,不符合片式多层陶瓷电容器低成本化、无铅化的发展要求。本文正是基于以上要求,选用低纯度原料,采用固相合成法,以具有良好介电性能的BaxSr1-xTiO3(x=0.1)材料为陶瓷介质基料,通过(Nb3/4Li(1/4))、(Nb2/3Zn1/3)及(Nb1/2Sm1/2)取代B位Ti,制备出无铅、性能优良的中高压片式多层陶瓷电容器材料;在此基础上,采用自制ZnO-B2O3-SiO2玻璃(ZBS)作为烧结助剂,降低BaxSr1-xTiO3陶瓷的烧结温度,实现与金属Ag电极的低温共烧,并研究低温烧结BaxSr1-xTiO3陶瓷的应用技术。本文的主要研究成果如下:(一)Ba0.9Sr0.1TiO3陶瓷烧结特性和介电性能的研究。陶瓷样品在1225℃~1425℃范围内烧结形成四方晶系的钙钛矿结构固溶体。在1225℃~1325℃范围内,随着烧结温度的升高,陶瓷样品致密度逐渐提高,其介电常数、击穿场强和介质损耗得到改善,但在1375℃~1425℃下烧结,容易形成Ti3+,恶化了样品的介电性能。Ba0.9Sr0.1TiO3陶瓷在1325℃保温2h烧结能够获得最佳介电性能为:εr=2354,Eb=10.22kv/mm,tanδ=0.01345,ρ=7.0×109Ω·cm。(二)通过施主—受主离子复合取代B位Ti4+改善Ba0.9Sr0.1TiO3陶瓷的介电性能。(Nb3/4Li(1/4))、(Nb2/3Zn1/3)及(Nb1/2Sm1/2)分别占据B位取代Ti,均形成钙钛矿结构的BaTiO3基固溶体。同(Nb3/4Li1/4)、(Nb2/3Zn1/3)取代Ti相比,适量的(Nb1/2Sm1/2)取代Ti提高了Ba0.9Sr0.1TiO3系陶瓷的击穿场强、绝缘电阻率,且减小了介电损耗。当取代量为x=0.04时,Ba0.9Sr0.1(Nb1/2Sm1/2)0.04Ti0.96O3陶瓷在1510℃保温2h烧结可获得最佳介电性能:εr=6168,tanδ=0.0024,Eb=14.3kv/mm,ρ=3.0×1012Ω·cm。(三)添加自制ZBS玻璃烧结助剂降低Ba0.9Sr0.1TiO3系陶瓷的烧结温度。添加ZBS玻璃能有效降低Ba0.9Sr0.1(Nb1/2Sm1/20.04Ti0.96O3陶瓷(简称BSNST)的烧结温度,当添加量不低于5wt%时,可使BSNST陶瓷烧结温度降至925℃以下,且介电性能随ZBS玻璃添加量的增加而有所下降。综合烧结特性和介电性能,添加5wt%ZBS的BSNST陶瓷在925℃保温2h烧结,获得最佳介电性能:εr=2695,Eb=10.19kv/mm,tanδ=0.01265,ρ=1.0×1011Ω·cm。此外,低烧BSNST陶瓷材料与Ag电极具有良好共烧界面,无明显扩散反应现象,是一种极具潜力的LTCC陶瓷材料,具有广阔的应用前景。
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