Bi2O3-AO-Nb2O5(A=Zn,Mg)系高频介质陶瓷的制备与性能研究

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电子信息产业的飞速发展,对小型化、低功耗电子元器件的需求日益增加,要求介质陶瓷具有更高的介电常数(εr),更低的介电损耗(tanδ),近零的介电常数温度系数(τε)。Bi2O3-AO-Nb2O5(A=Zn,Mg)系介质陶瓷作为一类高频介质陶瓷,在高频下表现出优异的介电性能,但较大介电常数温度系数限制其在实际生产中的应用。因此,本文以Bi2O3-ZnO-Nb2O5和Bi2O3-MgO-Nb2O5介质陶瓷为基进行改性研究,建立材料组分、晶体结构、微观形貌与介电性能的关联机制,制备出高介电常数、低损耗、介电常数温度系数近零的Bi2O3-AO-Nb2O5(A=Zn,Mg)系高频介质陶瓷,可满足温度稳定型电容器的要求。主要研究内容如下:(1)为调节介电常数温度系数使其近零,对单斜晶相Bi2Zn2/3Nb4/3O7介质陶瓷的B位Zn2+离子,采用Ni2+离子进行离子取代,研究离子掺杂对物相组成、晶体结构和介电性能的影响。运用晶体场理论分析相变过程中离子的占位情况,探明体系中存在的相变机制。在该体系中,物相比例是影响介电常数温度系数的主要因素。925°C下烧结,Bi2(Zn0.65Ni0.35)2/3Nb4/3O7介质陶瓷的介电性能为εr=101.2,tanδ=9.5×10-4ε=-0.96 ppm/°C,可作为一种温度稳定型介质陶瓷。(2)为提高介电常数,在Bi2Mg2/3Nb4/3O7体系的基础上,掺杂CuO进行改性研究,制备Bi2(Mg1-xCux)2/3Nb4/3O7(x=0.00,0.05,0.10,0.15,0.20)介质陶瓷,深入研究晶体结构、微观形貌、体系组分和介电性能的关系。在该体系中,介电常数主要受杂相的影响。随着CuO掺杂量的增加,Bi3NbO7相和Bi5Nb3O15相含量逐渐增加。Bi5Nb3O15具有较大介电常数值(εr=200),因此体系介电常数增大。925°C烧结的Bi2(Mg0.9Cu0.1)2/3Nb4/3O7介质陶瓷的介电性能为εr=184.06,tanδ=1.7×10-3ε=-20 ppm/°C,满足高频电容器的要求。(3)设计层状复合结构,探索提升介质陶瓷介电性能的新方法。首先采用固相反应法制备(1-x)BMN-xSrCO3(x=0.0,0.1,0.2,0.3,分别命名为BMN,BS1,BS1,BS3)介质陶瓷,并研究SrCO3含量对其介电性能的影响。在此基础上,将具有负介电常数温度系数的BMN、BS1介质陶瓷和具有正介电常数温度系数的BS2、BS3介质陶瓷分别叠层烧结,采用“串联电容模型”进行理论分析。进而探索BMN/BS1/BS3叠层烧结工艺,研究异质界面结构对介电响应、漏导损耗的影响。950°C下烧结,BMN/BS1/BS3三层复合介质陶瓷的介电性能为εr=200,tanδ=1.8×10-3,??=-29 ppm/°C,在高频温度稳定型电容器件中具有潜在应用价值。
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