共沉淀法制备钛酸铜钙及介电性能研究

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介电材料是一类广泛用于科学研究领域和实际应用中的电子材料。片式多层陶瓷电容器(Multi-layer ceramic capacitors,MLCC)的比容和介质材料的介电系数K成正比。因此,制造大容量、小尺寸电容器的需求使得高介电常数材料的研究炙手可热。高介电常数材料多为铁电体材料如BaTiO3,这类材料伴有铁电、弛豫和结构转变行为,使介电常数敏感于温度的变化,导致器件稳定性降低。而钛酸铜钙(CCTO)是一类具有高介电常数的特殊非铁电材料,具有如下特点:(1)高介电常数ε和低的介电损耗δ(常温及1KHz,ε为104,δ为0.2);(2)介电响应的热稳定性良好(在很宽的温区范围内(100-400K)其介电常数值近似不变)。同时CCTO的制备工艺相对简单,目前主要的制备方法是固相反应法,溶胶凝胶法和共沉淀法。本文以草酸盐为沉淀剂通过共沉淀法制备出了CCTO陶瓷,制备的样品通过X射线衍射(XRD)进行物相分析,扫描电子显微镜(SEM)对形貌和微粒尺寸大小进行观察,差热-热重(DTA-TG)分析在升温过程中所制样品分解温度及新物相的合成温度,电化学工作站IM6e阻抗测试仪测试其介电性能。草酸盐共沉淀法制备过程中通过对影响CCTO陶瓷性能的各种因素进行考察得出pH约为3.00,粉体预烧温度为850℃,烧结温度为1100℃,保温时间为10h时制备的CCTO陶瓷介电性能最佳,常温及1KHz条件下介电常数高达16129,介电损耗为0.233。通常制备的钛酸铜钙陶瓷具有较高的介电常数但同时还存在较高的介电损耗,阻碍了其作为电子材料在实际中的应用。由于离子掺杂会影响CCTO陶瓷的介电性能,使材料的介电损耗发生变化,因此本文采用Sr2+和Cr3+作为掺杂离子,研究了单/共掺杂后CCTO陶瓷的相组成及微观形貌。实验结果表明经850℃预烧、1100℃烧结10h后,在Ca1-xSrxCu3Ti4-yCryO12-y/2陶瓷中,当x=0.1,y=0时材料介电常数较大(常温及1KHz,ε为18125),但介电损耗也较大(常温及1KHz,δ为0.25);当x=0,y=0.15时材料介电损耗降低(常温及1KHz,δ为0.138),可是介电常数也随之降低(常温及1KHz,ε为5162);当x=0.15,y=0.15时材料介电常数较大(常温及1KHz,ε为9187),同时介电损耗较低(常温及1KHz,δ为0.11)。利用掺杂方式对材料改性时有新元素引入,为保持试样的纯度,本论文同时研究了在无新元素引入的前提下,通过改变CCTO陶瓷形貌来改善其介电性能。共沉淀法制备过程中添加聚乙二醇(PEG)使CCTO粉体的形貌发生变化,因PEG在制备过程中受热完全分解,所以实验过程中无新元素引入。实验结果表明经850℃预烧、1100℃烧结10h后,聚乙二醇浓度为7.5g/L改性后的CCTO陶瓷的介电常数保持很大(常温及1KHz,ε为9775),介电损耗在104-105Hz范围内比纯CCTO的介电损耗低且具有频率稳定性;同时PEG的加入使CCTO的合成温度由原来的720℃降为670℃,并且烧结后陶瓷相组成保持不变。
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