宽温高稳定性MLCC介质材料的制备及其改性机理研究

论文摘要

多层陶瓷电容器（MLCC）是电子信息技术的重要基础器件。由于电子系统的小型化、轻量化和集成化的发展要求,驱使MLCC向高频、宽温和大容量方向快速发展。MLCC的核心材料是由BaTiO3基铁电陶瓷构成的R(△C/C25℃≤±15%)系列瓷料。目前使用的X7R瓷料无法在+125℃以上实现稳定的介电性能,因此研究和发展温度更高、范围更宽的X8R、X9R,甚至超高温MLCC瓷料是国内外当前研究的重点。本论文基于BaTiO3基铁电陶瓷壳—芯结构的形成机理,围绕提高其介电温度稳定性的目标,通过掺杂Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）提高居里点的改性方法,展开耐高温MLCC瓷料制备的系统研究。主要研究内容为:1.提高BaTiO3基陶瓷的居里点,展宽居里峰是制备耐高温MLCC介质材料的有效途径。采用BNT与BiNbO4对BaTiO3进行掺杂。研究发现,BNT掺杂可显著提高BaTiO3陶瓷的居里点,展宽居里峰,抑制高温电容量变化率,这有利于改善BaTiO3陶瓷的介电高温稳定性。BiNbO4掺杂使BaTiO3陶瓷的居里峰强度被抑制,居里峰明显展宽,介温曲线变得平坦。2.形成壳—芯结构是BaTiO3陶瓷获得平缓电容量温度特性的关键。系统研究了Nb2O5和ZnO掺杂对BaTiO3陶瓷介电性能和微结构的影响,提出了BaTiO3-Nb2O5-ZnO体系中壳—芯结构的形成机理。研究发现,Nb2O5、ZnO单独掺杂均可形成壳—芯结构。Nb掺杂量增大和烧结温度升高都会促进Nb扩散进入BaTiO3晶粒内部,使得晶粒芯体积分数减小,晶粒壳体积分数增大。而ZnO掺杂形成的晶粒壳层较薄,这归因于ZnO在BaTiO3陶瓷中较低的固溶度和扩散速率。Nb/Zn协同掺杂时同样可形成壳—芯结构,Nb起主要作用,Zn起抑制BaTiO3晶粒生长的作用,有助于形成壳—芯结构。并且,Nb/Zn共掺杂时BaTiO3陶瓷中形成低共熔物,烧结过程中产生的液相可促进Nb向BaTiO3晶粒内部的扩散,有利于壳—芯结构的形成。3.总结归纳了BaTiO3陶瓷中内应力的产生机制,提出非均匀热膨胀、铁电相变、晶界、第二相以及壳—芯结构失配是BaTiO3陶瓷中内应力产生的根源。建立了BaTiO3陶瓷中由于壳、芯热膨胀系数不同导致的内应力的计算模型。利用X射线多晶衍射数据,采用Maud全谱拟合结构精修程序,计算得出Nb2O5掺杂和MnNb2O6掺杂的BaTiO3陶瓷的微观应变。结果表明,居里点与微观内应力随掺杂含量的变化是一致的。因此,提出如下的居里点移动机理:陶瓷的微观内应力是决定居里点移动的主要因素,内应力增大会导致居里点升高。由于壳—芯结构失配及第二相与BaTiO3晶相的热膨胀不匹配会产生较高的内应力,从而导致居里点向高温移动。4.在BT-BNT基础上,通过掺杂制备了高性能温度稳定型MLCC瓷料。在BaTiO3-BNT-BiNbO4系统中获得了适用于空气中烧结的X8R(-55℃～150℃,△C/C25℃≤±15%)材料。3.0～4.0 mol%BiNbO4掺杂的样品达到了X8R标准,室温介电常数ε≈2780。在BaTiO3-BNT-Nb2O5-ZnO系统中获得了适用于空气中烧结的X9R(-55℃～175℃,△C/C25℃≤±15%)材料,室温介电常数ε≈1800,tgδ≤1.5%,ρv≥1011Ω·cm。。在BNT-BaTiO3-CaCO3系统中获得了适用于空气中烧结的超高温(-55℃～200℃,△C/C25℃≤±15%)MLCC材料。CaCO3含量≥24 mol%时,室温介电常数ε≈1000,tgδ≤1.5%,ρv≥1011Ω·cm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 MLCC发展趋势
• 1.2.1 小型化
• 1.2.2 低成本化
• 1.2.3 高压大功率化
• 1.2.4 低压大容量化
• 1.2.5 复合阵列化
• 1.3 MLCC在现代电子系统中的应用
• 1.3.1 模块化
• 1.3.2 高频化
• 1.3.3 宽温化
• 1.3.4 抗干扰
• 1.4 MLCC介质材料分类
• 1.5 论文选题和研究内容
• 3陶瓷的微观结构和改性机理'>第二章 BaTiO₃陶瓷的微观结构和改性机理
• 3的微观结构'>2.1 BaTiO₃的微观结构
• 3的晶体结构'>2.1.1 BaTiO₃的晶体结构
• 3的电畴结构'>2.1.2 BaTiO₃的电畴结构
• 3陶瓷的晶粒尺寸效应'>2.2 BaTiO₃陶瓷的晶粒尺寸效应
• 3陶瓷的改性机理'>2.3 BaTiO₃陶瓷的改性机理
• 2.3.1 展宽效应
• 2.3.2 移动效应
• 2.3.3 重叠效应
• 2.4 晶粒壳—芯结构理论
• 3陶瓷居里点的移动机理'>2.5 BaTiO₃陶瓷居里点的移动机理
• 2.5.1 掺杂效应
• 2.5.2 尺寸效应
• 2.5.3 四方率效应
• 2.5.4 应力效应
• 2.5.5 氧空位浓度效应
• 2.5.6 烧结温度
• 2.6 本章小结
• 第三章 MLCC陶瓷材料的制备及测试方法
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 陶瓷制备过程
• 3.1.2 MLCC的生产工艺
• 3.2 样品分析与测试
• 3.2.1 微观结构分析与表征
• 3.2.2 介电性能测试
• 3.3 本章小结
• 3基陶瓷提高介电温度稳定性的改性研究'>第四章 BaTiO₃基陶瓷提高介电温度稳定性的改性研究
• 4.1 BT-BNT系陶瓷的微结构与电性能
• 4.1.1 样品的制备
• 4.1.2 BNT掺杂对相组成的影响
• 4.1.3 BNT掺杂对介电性能的影响
• 4.1.4 BNT掺杂对显微形貌的影响
• 4系陶瓷的微结构与电性能'>4.2 BT-BiNbO₄系陶瓷的微结构与电性能
• 4.2.1 样品的制备
• 4掺杂对介电性能的影响'>4.2.2 BiNbO₄掺杂对介电性能的影响
• 4掺杂对显微形貌的影响'>4.2.3 BiNbO₄掺杂对显微形貌的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 高性能BT-BNT基MLCC瓷料的制备
• 4系X8R介质材料'>5.1 BT-BNT-BiNbO₄系X8R介质材料
• 5.1.1 样品的制备
• 4掺杂对相组成的影响'>5.1.2 BiNbO₄掺杂对相组成的影响
• 4掺杂对介电性能的影响'>5.1.3 BiNbO₄掺杂对介电性能的影响
• 4掺杂对晶粒形貌的影响'>5.1.4 BiNbO₄掺杂对晶粒形貌的影响
• 5.2 BT-BNT-Nb-Zn系X9R介质材料
• 5.2.1 样品的组成与制备
• 5.2.2 Nb含量对介电性能的影响
• 5.2.3 Zn含量对介电性能的影响
• 3对微结构与介电性能的影响'>5.2.4 CaZrO₃对微结构与介电性能的影响
• 5.3 BT-BNT基超高温MLCC介质材料
• 5.3.1 样品的制备
• 5.3.2 微结构与介电性能研究
• 5.4 本章小结
• 3-Nb₂O₅-ZnO体系壳—芯结构形成机理'>第六章 BaTiO₃-Nb₂O₅-ZnO体系壳—芯结构形成机理
• 3-Nb₂O₅-ZnO体系材料的研究'>6.1 BaTiO₃-Nb₂O₅-ZnO体系材料的研究
• 6.1.1 样品的组成和制备
• 2O₅的BaTiO₃陶瓷的微结构与电性能'>6.1.2 单独掺杂Nb₂O₅的BaTiO₃陶瓷的微结构与电性能
• 3陶瓷的微结构与电性能'>6.1.3 单独掺杂ZnO的BaTiO₃陶瓷的微结构与电性能
• 2O₅/ZnO共掺杂的BaTiO₃陶瓷的介电性能'>6.1.4 Nb₂O₅/ZnO共掺杂的BaTiO₃陶瓷的介电性能
• 3-Nb₂O₅-ZnO体系壳—芯结构形成机理'>6.2 BaTiO₃-Nb₂O₅-ZnO体系壳—芯结构形成机理
• 6.3 本章小结
• 3陶瓷居里点移动的内应力机理研究'>第七章 BaTiO₃陶瓷居里点移动的内应力机理研究
• 3陶瓷中内应力的产生机制'>7.1 BaTiO₃陶瓷中内应力的产生机制
• 3陶瓷中的内应力模型'>7.2 BaTiO₃陶瓷中的内应力模型
• 7.3 内应力的计算方法
• 7.4 内应力对居里点的作用机理
• 2O₅掺杂对居里点的影响'>7.4.1 Nb₂O₅掺杂对居里点的影响
• 2O₆掺杂对居里点的影响'>7.4.2 MnNb₂O₆掺杂对居里点的影响
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论和展望
• 8.1 论文主要结果
• 8.2 本论文的创新之处
• 8.3 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果