流延法制備低介電損耗巨電容率CaCu3Ti4O12陶瓷及其電性能研究.pdf

1、本論文在固相反應法的基礎上結(jié)合流延成型制備CaCu3Ti4O12（簡稱CCTO）陶瓷薄片，研究兩步法燒結(jié)和Cu不同化學計量比對流延成型CCTO陶瓷致密度、微觀結(jié)構(gòu)和電學性能等方面影響;同時對CCTO陶瓷介電機理的表面效應進行初步探討;成功制備多層CCTO陶瓷基雙功能元件，并與鋁電解電容器和超級電容器進行性能和充放電特性對比試驗。
　　首先，采用兩步法燒結(jié)流延成型CCTO陶瓷薄片。第二步保溫時間和第二步燒結(jié)溫度對流延成型CCTO陶瓷

2、的性能都有較大的影響。隨著第二步保溫時間的延長和第二步燒結(jié)溫度的升高，CCTO陶瓷的相對密度和電容率都有所提高。在第二步燒結(jié)溫度1000℃保溫72 h燒結(jié)的CCTO陶瓷，在f=1kHz下具有最低的介電損耗tanδ=0.028，同時保持巨電容率εr=123，331，其非線性系數(shù)和擊穿場強分別為4.29和30.1 V/mm。當?shù)诙綗Y(jié)溫度提高到1080℃保溫72 h時，在f=1kHz下CCTO陶瓷的電容率達到最大（εr=245，523），

3、而介電損耗為tanδ=0.043，非線性系數(shù)為4.25和擊穿場強為8.5V/mm。
　　其次，采用流延成型和常規(guī)燒結(jié)制備Cu微過量的CaCu(3+x)Ti4O12陶瓷樣品。XRD分析表明隨著Cu含量的增加，樣品中開始出現(xiàn)Cu2O相和CaTiO3相，當x=0.008時，存在TiO2、 CuO、Cu2O和CaTiO3第二相，形成多相共存的現(xiàn)象;同時CCTO陶瓷的晶粒尺寸隨著Cu含量的增加逐漸趨向均勻，且氣孔減少，致密度增加。實驗表明C

4、u含量的適當增加可以增大其電容率并降低其介電損耗，當x=0.004時，樣品表現(xiàn)出最好的電學性能，在1 kHz時電容率εr=91，536和介電損耗tanδ=0.027，同時其非線性系數(shù)和擊穿場強分別為4.67和31.3V/mm;而且x=0.002和x=0.004的樣品相比純CCTO陶瓷樣品還體現(xiàn)出更好的頻率和溫度穩(wěn)定性;此外，CaCu(3+x)Ti4O12陶瓷樣品的等效串聯(lián)電阻(ESR)在100 kHz下，隨著Cu含量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢

5、，當x=0.008時ESR值最小(3.49Ω)。
　　然后，為了對CCTO陶瓷的表面效應進行探討，將CaCu3.004Ti4O12陶瓷樣品的上下兩表面各磨去0.05mm，并與表面未拋光的樣品進行對比。實驗結(jié)果表明其陶瓷自然表面對CaCu3.004Ti4O12陶瓷樣品的介電性能和壓敏性能有著明顯的影響:自然表面拋光后的樣品與未拋光樣品相比，其電容率明顯降低，同時拋光后樣品的Ⅰ-Ⅴ非線性特性曲線也明顯地向低壓方向移動;通過對樣品表面拋

6、光前后的化學成分EDX分析，可知在CaCu3.004Ti4O12陶瓷自然表面的晶界中偏析出富Cu相，而拋光后的樣品的表面Cu的含量略低于CaCu3.004Ti4O12陶瓷樣品中Cu的化學計量比;陶瓷樣品表面拋光后，銀電極與陶瓷表面間的肖特基勢壘高度降低，導致樣品的非線性系數(shù)α也隨之下降。同時，通過制備不同厚度的陶瓷樣品來進一步探討CCTO陶瓷的表面效應，實驗表明隨著陶瓷樣品厚度的減小，樣品的電容率逐步增大，樣品的擊穿場強和非線性系數(shù)α隨

7、著樣品厚度的減小而增大。說明CCTO陶瓷的巨介電效應和壓敏性能是表面阻擋層(SBLC)效應和內(nèi)部阻擋層(IBLC)效應共同作用的結(jié)果。在以上實驗基礎上，我們首次提出改進的四組RC相串聯(lián)(RgCg、RgbCgb、RdbCdb和RbCb)的電學等效電路模型，能夠更全面地解釋CCTO陶瓷介電性能和壓敏性能。
　　最后，利用流延CaCu3.004Ti4O12陶瓷薄片成功制備多層CCTO陶瓷基雙功能元件:在1kHz下電容量為13.06μF、

8、介電損耗tanδ=0.042、非線性系數(shù)為4.97、壓敏電壓26.4V，等效串聯(lián)電阻ESR=0.51Ω;該CCTO元件與相應電容量的鋁電解電容器對比，CCTO陶瓷電容器在更寬的頻率范圍內(nèi)，其電容量和介電損耗更加穩(wěn)定，且介電損耗值更低，同時顯示出更好的溫度穩(wěn)定性和更低的ESR值。通過搭建充放電電路，對電容器進行充放電性能測試，多層CCTO陶瓷電容器與鋁電解電容器表現(xiàn)出相似的充放電特性:重復性充放電實驗中，多層CCTO陶瓷電容器在4個月內(nèi)其