溫度穩(wěn)定型MLCC瓷料的研制及其改性機(jī)理研究.pdf

1、多層陶瓷電容器(MLCC)是重要的電子元件，幾乎可以應(yīng)用于所有的電子工業(yè)中。鈦酸鋇(BaTiO3，BT)是應(yīng)用最廣泛的鈣鈦礦鐵電體，這在于其具有很高的介電常數(shù)和長(zhǎng)壽命的絕緣特性，鈦酸鋇陶瓷材料一直是MLCC研究的焦點(diǎn)所在。此外，當(dāng)今的MLCC應(yīng)用更多地要求元件具有良好的溫度穩(wěn)定性。然而，國(guó)內(nèi)軍用低頻PME-MLCC所用X7R系列陶瓷材料幾乎全部依賴于進(jìn)口，X8R PME-MLCC材料的研究工作還處于起步階段，耐更高溫度的PME-MLCC

2、陶瓷材料的開(kāi)發(fā)幾乎是空白。為此，本論文以BaTiO3基PME-MLCC瓷料為研究對(duì)象，對(duì)國(guó)內(nèi)當(dāng)前缺失的溫度穩(wěn)定型PME-MLCC瓷料做了探索性和創(chuàng)新性研究。本論文研究的主要成果和結(jié)論如下： 1．詳細(xì)研究了稀土氧化物對(duì)BaTiO3-Nb2O5-ZnO系統(tǒng)介電性能的影響，發(fā)現(xiàn)不同稀土氧化物對(duì)BT陶瓷電容量溫度變化率低溫峰(約40℃)和高溫峰(約127℃)的影響可以分為三類。研究了Gd/Ce和Gd/Nd復(fù)合摻雜BT陶瓷的介電性能和微觀

3、性能，鈦酸鋇陶瓷室溫介電常數(shù)的變化可以用稀土離子在鈣鈦礦中的取代位置來(lái)解釋，Gd/Ce復(fù)合摻雜時(shí)具有氣孔率低、致密化程度高的特點(diǎn)，可以獲得介電性能良好的高介陶瓷，Gd/Nd復(fù)合摻雜BT系統(tǒng)的電容量高溫變化率受Gd控制而受Nd影響不大。通過(guò)溶膠凝膠法制備了納米稀土摻雜劑(Nd-Li-B-Si)，發(fā)現(xiàn)納米摻雜劑中稀土Nd用量變化對(duì)鈦酸鋇陶瓷介電性能有重要影響，相反，在使用納米稀土摻雜劑的同時(shí)直接摻雜Nd2O3對(duì)鈦酸鋇介電性能影響不明顯，通過(guò)

4、納米稀土摻雜可以獲得性能良好的X7R陶瓷材料。確立了瓷料中各種摻雜劑的用量對(duì)介電性能的多元非線性回歸方程y=bo+∑bixi+∑biixi2+∑biiixi3，并成功研制了環(huán)保型X7RMLCC瓷料系統(tǒng)。利用自主配方在國(guó)內(nèi)某生產(chǎn)線上成功制備滿足X7R特性的PME-MLCC，主要性能指標(biāo)為：室溫介電常數(shù)2950±100，損耗小于1.5％，絕緣電阻大于5×1010Ω，-55℃至125℃的容溫變化率在±10％以內(nèi)，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)大于1500V/m

5、il。 2．利用Ca-B-Si微晶玻璃對(duì)BaTiO3-Nb2O5-ZnO系統(tǒng)摻雜改性以制備X8R瓷料，研究發(fā)現(xiàn)CBS微晶玻璃對(duì)BaTiO3陶瓷具有降低燒結(jié)溫度和改善溫度特性的雙重作用。利用傳統(tǒng)摻雜劑CaZrO3對(duì)鈦酸鋇陶瓷摻雜并對(duì)其介電性能和微觀性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對(duì)比實(shí)驗(yàn)得到的TCC125℃和計(jì)算得到的微觀應(yīng)變發(fā)現(xiàn)陶瓷電容量溫度曲線的高溫峰強(qiáng)度依賴于樣品中的微觀應(yīng)力。首次提出了BT-Nb2O5-ZMT新配方體系，詳細(xì)研究了N

6、b和ZMT用量對(duì)鈦酸鋇陶瓷相成分、微觀形貌、介溫特性以及居里點(diǎn)的影響。利用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)BaTiO3-Nb2O5-ZMT系統(tǒng)進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，通過(guò)偏微分分析、趨勢(shì)分析和響應(yīng)面分析對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得了室溫介電常數(shù)介于1500～3300的BaTiO3基X8R陶瓷材料體系。利用自主配方在國(guó)內(nèi)某生產(chǎn)線上成功制備滿足X8R特性的PME-MLCC，主要性能指標(biāo)為：室溫介電常數(shù)2200±100，損耗小于1.5％，絕緣電阻大于5×1010Ω，-55℃至1

7、50℃的容溫變化率小于±7.5％，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)大于1050V/mil。 3．利用DSC、XRD和SEM等分析手段對(duì)BaTiO3-MnNb2O6陶瓷進(jìn)行分析，研究了室溫四方率和第二相對(duì)鈦酸鋇陶瓷居里溫度的影響機(jī)理。發(fā)現(xiàn)MnNb2O6摻雜量在少于0.50mol％時(shí)，陶瓷室溫四方率降低，居里點(diǎn)下降；MnNb2O6用量高于1.00mol％后產(chǎn)生第二相Ba2Ti3Nb4O18，通過(guò)微觀應(yīng)變的計(jì)算認(rèn)為，第二相的出現(xiàn)改變了陶瓷的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)從而

8、導(dǎo)致鈦酸鋇陶瓷居里點(diǎn)上升。以BaTiO3-BiNbO4陶瓷為例研究了預(yù)燒對(duì)鈦酸鋇陶瓷居里點(diǎn)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)摻雜球磨后進(jìn)行預(yù)燒會(huì)加大鈦酸鋇陶瓷居里點(diǎn)的移動(dòng)幅度。Mn2+濃度對(duì)TiO2/SiO2復(fù)合摻雜鈦酸鋇陶瓷的溫度特性產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，SEM和XRD分析發(fā)現(xiàn)Mn2+可以抑制。TiO2/SiO2在BT陶瓷中產(chǎn)生的第二相的析出，第二相的體積分?jǐn)?shù)和存在狀態(tài)改變了陶瓷的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)使陶瓷的溫度特性曲線得到改善。合成了高居里點(diǎn)的新起始基料BTBNT，并

9、利用幾種壓峰劑對(duì)BTBNT-Nb-ZMT系統(tǒng)進(jìn)行摻雜改性，獲得了溫度特性滿足X9R特性要求的耐高溫瓷料。 4．利用不同顆粒尺寸的BaTiO3粉體為起始原料，從粉體形貌、晶粒形貌、微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力變化以及居里點(diǎn)移動(dòng)等方面分析了純BaTiO3陶瓷的晶粒尺寸效應(yīng)，隨著晶粒尺寸增大，室溫四方率降低，內(nèi)應(yīng)力降低，居里點(diǎn)下降?；趲缀文Ｐ驼f(shuō)明了“殼-芯”結(jié)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，表明在Nb摻雜的BaTiO3陶瓷中晶粒芯僅僅受到壓應(yīng)力而不存在張應(yīng)力。