低温烧结钛酸锶钡陶瓷的介电性能

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近年米,为了进一步满足电子元器件微型化与电子电路高密度化的需求,低温共烧陶瓷技术(LTCC)技术作为一种新的整合组件技术快速的发展了起来。当该技术在低频应用时,所用材料必须具有高介电常数以缩小器件的尺寸。同时,低的介电损耗和高的可调性以及低于950℃的烧结温度是该材料作为LTCC可调器件必不可少的因素。作为一种典型的钙钛矿结构的铁电材料钛酸锶钡(BST)因其具有高的介电常数、低的介电损耗和直流电场下的介电可调性而被广泛的用在LTCC可调器件上(如滤波器、移相器等)、多层陶瓷电容器上。然而,利用传统固相法制备的BST陶瓷具有较高的烧结温度(1350℃)限制了它在LTCC可调器件方面的应用。降低BST陶瓷烧结温度的同时能维持其介电性能不受破坏(尤其是可调性与介电损耗)是研究此类材料问题的关键所在。本文通过两种途径来达到这一目的。其一,利用多种低熔点氧化物共掺杂,以期得到介电常数适当、介电损耗小和保持较高介电可调度的陶瓷(如第三、四章)。其二,将烧结助剂和具有优良介电性能的材料共同加入BST材料中,希望降低其烧结温度的同时调节其介电性能(如第五章)。按照上述思路,本文采用标准电子陶瓷工艺技术,在BST基体中,掺杂多种氧化物或介电性能优良的材料,研究了所得陶瓷的烧结行为、相结构、显微组织和介电性能。本文的主要研究结果如下:1.本文第三章采用用固相反应法制备了CuO和Li2CO3共掺杂Ba0.60Sr0.40TiO3陶瓷,研究了陶瓷的烧结特性、相结构、显微组织结构及介电性能。结果表明:2wt.%Li2CO3和0.2 wt.%CuO共掺杂可有效的将BST的烧结温度降低至925℃,成功的实现了BST陶瓷的低温烧结。XRD表明陶瓷由立方钙钛矿结构的Ba0.60Sr0.40TiO3组成,只有微量的杂相出现。CuO含量的增加,BST的主峰向低角移动,由此造成的晶格扭曲和氧空位的形成都会加速物质传送过程,从而有效的促进烧结。此外,第二相的形成提供了最好的润湿条件从而有效的加速了烧结过程。SEM表明助烧剂的加入使陶瓷内部形成大量的液相,有效的降低了BST陶瓷的温度。CuO的加入后,陶瓷表现出明显的扩散相变特征,顺电相处极性纳米微区的形成是材料能保持较大可调性的重要原因。925℃下烧结的2 wt.%Li2CO3和0.2 wt.% CuO共掺杂的BST陶瓷具有良好的介电性能:εr=2725, tanδS=0.0044(10 kHz、20℃),可调性为32.2%(10 kHz,2 kV/mm),从而可与银电极共烧而用于LTCC可调器件。2.用固相反应法制备了Bi2O3和Li2CO3共掺杂Ba0.60Sr0.40TiO3陶瓷,研究了陶瓷的烧结特性、相结构、显微组织结构及介电性能。实验结果表明,2 wt.%Li2CO3和0.8 wt..%Bi2O3共掺杂可有效的将BST的烧结温度降低至925℃,成功的实现了BST陶瓷的低温烧结;XRD表明陶瓷由立方钙钛矿结构的Ba0.60Sr0.40TiO3组成,无杂相生成。SEM表明加入助烧剂使陶瓷内部形成大量的液相,有效的降低了BST陶瓷的温度。Bi2O3的加入,明显改善了BST的可调性。这与小半径的Bi3+取代了大半径的Ba2+、Sr2+而导致Ti4+的活动空间增大相关。925℃下烧结的2wt.%Li2CO3和0.8wt.%Bi2O3共掺杂的BST陶瓷具有良好的介电性能:εr=4189,tanδ=0.155(10 kHz、20℃,可调性可高达48%。3.用固相反应法制备了TiO2和Li2CO3共掺杂Ba0.60Sr0.40TiO3陶瓷,研究了陶瓷的烧结特性、相结构、显微组织结构及介电性能。实验结果表明,2wt.%Li2CO3和2 mol.%TiO2共掺杂可有效的将BST的烧结温度降低至1050℃,成功的实现了BST陶瓷的低温烧结;XRD表明陶瓷由立方钙钛矿结构的Ba0.60Sr0.40TiO3组成。随着Li2CO3含量的增加,BST的主峰向低角移动,由此形成的氧空位会中和活跃于Ti4+与Ti3+之间的电子,从而抑制了Ti4+的变价,从而有效的降低了损耗。1050℃下烧结的2wt.%Li2CO3和2mol.%TiO2共掺杂的BST陶瓷具有良好的介电性能:εr=1276,tanδ=8×10-4(10 kHz、20℃)
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