寬溫高穩(wěn)定性MLCC介質(zhì)材料的制備及其改性機(jī)理研究.pdf

1、多層陶瓷電容器(MLCC)是電子信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)器件。由于電子系統(tǒng)的小型化、輕量化和集成化的發(fā)展要求，驅(qū)使MLCC向高頻、寬溫和大容量方向快速發(fā)展。MLCC的核心材料是由BaTiO3基鐵電陶瓷構(gòu)成的R(△C/C25℃≤±15％)系列瓷料。目前使用的X7R瓷料無法在+125℃以上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的介電性能，因此研究和發(fā)展溫度更高、范圍更寬的X8R、X9R，甚至超高溫MLCC瓷料是國內(nèi)外當(dāng)前研究的重點(diǎn)。本論文基于BaTiO3基鐵電陶瓷殼-芯結(jié)構(gòu)的

2、形成機(jī)理，圍繞提高其介電溫度穩(wěn)定性的目標(biāo)，通過摻雜Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)提高居里點(diǎn)的改性方法，展開耐高溫MLCC瓷料制備的系統(tǒng)研究。主要研究內(nèi)容為： 1．提高BaTiO3基陶瓷的居里點(diǎn)，展寬居里峰是制備耐高溫MLCC介質(zhì)材料的有效途徑。采用BNT與BiNbO4對(duì)BaTiO3進(jìn)行摻雜。研究發(fā)現(xiàn)，BNT摻雜可顯著提高BaTiO3陶瓷的居里點(diǎn)，展寬居里峰，抑制高溫電容量變化率，這有利于改善BaTiO3陶瓷的介電高溫穩(wěn)定

3、性。BiNbO4摻雜使BaTiO3陶瓷的居里峰強(qiáng)度被抑制，居里峰明顯展寬，介溫曲線變得平坦。 2．形成殼-芯結(jié)構(gòu)是BaTiO3陶瓷獲得平緩電容量溫度特性的關(guān)鍵。系統(tǒng)研究了Nb2O5和ZnO摻雜對(duì)BaTiO3陶瓷介電性能和微結(jié)構(gòu)的影響，提出了BaTiO3-Nb2O5-ZnO體系中殼一芯結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，Nb2O5、ZnO單獨(dú)摻雜均可形成殼-芯結(jié)構(gòu)。Nb摻雜量增大和燒結(jié)溫度升高都會(huì)促進(jìn)Nb擴(kuò)散進(jìn)入BaTiO3晶粒內(nèi)部，使得晶

4、粒芯體積分?jǐn)?shù)減小，晶粒殼體積分?jǐn)?shù)增大。而ZnO摻雜形成的晶粒殼層較薄，這歸因于ZnO在BaTiO3陶瓷中較低的固溶度和擴(kuò)散速率。Nb/Zn協(xié)同摻雜時(shí)同樣可形成殼-芯結(jié)構(gòu)，Nb起主要作用，Zn起抑制BaTiO3晶粒生長的作用，有助于形成殼-芯結(jié)構(gòu)。并且，Nb/Zn共摻雜時(shí)BaTiO3陶瓷中形成低共熔物，燒結(jié)過程中產(chǎn)生的液相可促進(jìn)Nb向BaTiO3晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散，有利于殼-芯結(jié)構(gòu)的形成。 3．總結(jié)歸納了BaTiO3陶瓷中內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生

5、機(jī)制，提出非均勻熱膨脹、鐵電相變、晶界、第二相以及殼-芯結(jié)構(gòu)失配是BaTiO3陶瓷中內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的根源。建立了BaTiO3陶瓷中由于殼、芯熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力的計(jì)算模型。利用X射線多晶衍射數(shù)據(jù)，采用Maud全譜擬合結(jié)構(gòu)精修程序，計(jì)算得出Nb2O5摻雜和MnNb2O6摻雜的BaTiO3陶瓷的微觀應(yīng)變。結(jié)果表明，居里點(diǎn)與微觀內(nèi)應(yīng)力隨摻雜含量的變化是一致的。因此，提出如下的居里點(diǎn)移動(dòng)機(jī)理：陶瓷的微觀內(nèi)應(yīng)力是決定居里點(diǎn)移動(dòng)的主要因素，內(nèi)應(yīng)力

6、增大會(huì)導(dǎo)致居里點(diǎn)升高。由于殼-芯結(jié)構(gòu)失配及第二相與BaTiO3晶相的熱膨脹不匹配會(huì)產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致居里點(diǎn)向高溫移動(dòng)。 4．在BT-BNT基礎(chǔ)上，通過摻雜制備了高性能溫度穩(wěn)定型MLCC瓷料。在BaTiO3-BNT-BiNbO4系統(tǒng)中獲得了適用于空氣中燒結(jié)的X8R(-55℃～150℃，△C/C25℃≤±15％)材料。3.0～4.0 mo1％BiNbO4摻雜的樣品達(dá)到了X8R標(biāo)準(zhǔn)，室溫介電常數(shù)ε≈2780。在BaTiO3-B