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B位施主/受主离子共取代制备高击穿场强CaCu3Ti4O12基陶瓷及其介电性能的研究

B位施主/受主离子共取代制备高击穿场强CaCu3Ti4O12基陶瓷及其介...

引用

作者：卢文敏太原理工大学

学位级别：硕士

本文是国家自然科学基金面上项目“低损耗CCTO陶瓷电介质的制备与损耗机理研究”(项目编号:20200401154433)的研究内容之一,研究高击穿场强的提高方法。CaCuTiO(简称CCTO)基介电陶瓷凭借高介电常数和高热稳定性等优异性能在电子元器件... 详细信息

本文是国家自然科学基金面上项目“低损耗CCTO陶瓷电介质的制备与损耗机理研究”(项目编号:20200401154433)的研究内容之一,研究高击穿场强的提高方法。CaCuTiO(简称CCTO)基介电陶瓷凭借高介电常数和高热稳定性等优异性能在电子元器件小型化和储能方面具有巨大应用潜力,并引起国内外研究者广泛关注。然而,介电损耗较高、击穿场强低等问题极大地限制了其实际应用。为了提高CCTO的击穿场强,本文采用聚合物热解法制备了CCTO粉体;然后,为改善其综合介电性能,采用施主/受主进行离子共取代,研究取代元素及取代量对CCTO陶瓷的微观结构、形貌与介电性能的影响规律,并揭示其作用机理。本文主要研究内容和主要结果如下:(1)利用聚合物热解法制备了高击穿场强的CCTO陶瓷。系统研究了聚合物热解法制备流程中引发剂量、聚合单体量、预烧温度和烧结温度对陶瓷介电性能的影响。结果表明,当过硫酸铵和丙烯酸的质量比为0.5%,丙烯酸与阳离子的摩尔比为2.0,CCTO粉末预烧温度为850℃,烧结温度为1060℃时陶瓷的综合性能最优,具有较高的击穿场强(11.45 k V/cm)、较高的介电常数(14892)和较低的介电损耗(0.030)。(2)制备了CaCuTiTaO陶瓷和具有高击穿场强的CaCuTiCrTaO陶瓷。先确定了本实验中Ta的最佳取代量为5mol%,然后研究了Cr与Ta共取代Ti对CCTO陶瓷性能的影响,发现CaCuTiCrTaO陶瓷的介电常数随着Cr取代量的增加呈现介电常数先增大后减小的趋势,与介电损耗的变化趋势相反。CaCuTiCrTaO陶瓷综合性能最为优异,其击穿场强提高至61.33 k V/cm,介电常数为3527,介电损耗为0.047。Cr/Ta共取代使CCTO陶瓷击穿场强大幅提高是由于势垒高度的增高。(3)研究了Ni/Ta取代对CCTO陶瓷微观结构和介电性能的影响。CaCuTiNiTaO陶瓷随着Ni取代量的增加,平均晶粒尺寸先增大后减小。随着Ni取代量的增加,CaCuTiNiTaO陶瓷室温介电常数相应增大,而介电损耗先减小后增大,击穿场强呈现先增大后减小的趋势。这是因为适量的Ni取代有利于晶粒尺寸的正常生长和势垒高度的增高。(4)总结了施主/受主离子共取代CCTO介电陶瓷的性能变化规律。发现Cr/Ta取代更利于降低CCTO陶瓷的介电损耗,并提高击穿场强;而Ni/Ta取代使CCTO陶瓷介电性能变差。原因是Cr/Ta取代使得CCTO陶瓷晶界绝缘特性增强和势垒高度增大,而Ni/Ta取代晶界绝缘特性变差。

关键词： CaCu3Ti4O12陶瓷聚合物热解工艺施主/受主共取代高击穿场强介电性能

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