CaCu3Ti4O12基陶瓷的制备、结构与介电性能研究

论文摘要

最近几年来立方钙钛矿结构的CaCu3Ti4O12（CCTO）因其具有巨介电常数的独特性能（在无线电频率下,室温附近介电常数通常＞104）,受到了广泛的关注。但是关于其巨介电响应的产生机理至今尚存争论,并且其较大的介电损耗也限制了其实用化。本文通过CCTO基陶瓷的组成设计、结构控制方法研究,寻求具有高介电常数,且损耗相对较小的电介质陶瓷材料体系,并探讨相应的物理机制。为此类材料的应用奠定基础。获得高纯度单相CCTO原料是高性能陶瓷制备的基础。本文针对合成单相CCTO的难点,详细研究了微波加热工艺路线对物相形成的影响。发现利用微波加热技术可以在较低的温度和较短时间内单相的CCTO粉料。CCTO陶瓷的显微结构对铁电性能有较大的影响。发现了其具有弛豫铁电体的特性,并且随着陶瓷晶粒的减小,其频率弥散性和弛豫强度随之增加。这是由于小晶粒上所承受的晶界所导致的应力更大的缘故。B位改性CCTO陶瓷研究了Ti的化学计量以及不同价态离子,Zr4+、Ta5+和Sc3+离子置换Ti4+的结构与介电性能。发现了CCTO陶瓷的绝缘性阻挡层的形成以及晶粒不连续生长与B位离子Ti在晶界的聚集相关。研究表明CCTO的巨介电性能与其陶瓷的显微结构密切相关。主要可以用具有Maxwell-Wagner界面弛豫特性的内部阻挡层电容器模型对其进行解释,而且在300-400K和450-550K之间,存在有两个界面弛豫过程,分别由晶界和畴壁所决定。当选取适合的取代量,在一定的工艺条件下可以获得具有较好介电性能的CCTO基陶瓷材料:（1）当0.5%molZr4+取代Ti时,CCTO基介质陶瓷的介电性能是:在-50-70℃之间,其介电常数＞5000,损耗＜0.08;（2）当Ta5+的取代量为0.5mol%的时候,1100℃烧结1小时的样品的介电常数＞20000,介电损耗＜0.09;（3）当Sc3+的取代量是为1.0%molTi的时候,样品的介电性能是:在KHz范围内,室温到100℃左右的范围内,其介电常数＞6000,介电损耗＜0.10。考虑SrTiO3的低损耗性能,为有效降低CCTO陶瓷的介电损耗,本文研究了（1-x）CCTO-xSrTiO3（x是体积含量）复合陶瓷的结构与介电性能。实验发现该陶瓷是典型的两相混合结构。其介电常数的变化规律符合Lichtenecker对数法则。并且由于SrTiO3是良好的绝缘体,导致了陶瓷的绝缘电阻大幅度的增加,从而降低了介电损耗。当x=0.4的时候,1060℃烧结3小时的样品,在室温到150℃之间其无线电频率下的介电常数约为2000,损耗＜0.10,并且其介电性能的高温稳定性要优于现有的X7R电容器。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电介质的基本理论
• 1.1.1 电绝缘性与极化（介电常数）
• 1.1.2 介电损耗
• 1.1.3 介电弛豫理论
• 1.2 高介电常数材料的研究背景与现状
• 3Ti₄O₁₂（CCTO）'>1.3 一种新的高介电常数材料-CaCu₃Ti₄O₁₂（CCTO）
• 1.4 存在的问题与本文研究目的
• 第2章 研究思路与实验方法
• 2.1 研究思路
• 2.2 实验方法
• 3Ti₄O₁₂陶瓷的制备,结构与介电性能'>第3章 CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的制备,结构与介电性能
• 3.1 CCTO的合成
• 3.1.1 球磨时间对合成CCTO单相粉末的影响
• 3.1.2 微波合成CCTO粉末
• 3.2 CCTO陶瓷结构与介电响应
• 3.2.1 CCTO陶瓷晶体结构与显微结构
• 3.2.2 CCTO陶瓷介电性能
• 3.3 CCTO陶瓷的弛豫铁电体特征
• 3.4 本章小节
• 3Ti₄O₁₂陶瓷的结构和介电性能'>第4章 B位改性CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的结构和介电性能
• 4.1 Ti非化学计量的CCTO结构和介电性能
• 4.1.1 Ti非化学计量CCTO陶瓷的结构
• 4.1.2 Ti化学计量的CCTO陶瓷介电性能
• 3(Ti_1-xZr_x)₄O₁₂陶瓷结构和介电性能'>4.2 CaCu₃(Ti_1-xZr_x)₄O₁₂陶瓷结构和介电性能
• 3(Ti_1-xZr_x)₄O₁₂陶瓷的结构'>4.2.1 CaCu₃(Ti_1-xZr_x)₄O₁₂陶瓷的结构
• 3(Ti_1-xZr_x)₄O₁₂陶瓷的介电性能'>4.2.2 CaCu₃(Ti_1-xZr_x)₄O₁₂陶瓷的介电性能
• 3(Ti_1-xTa_x)₄O_12+2x陶瓷的结构和介电性能'>4.3 CaCu₃(Ti_1-xTa_x)₄O_12+2x陶瓷的结构和介电性能
• 3(Ti_1-xTa_x)₄O_12+2x陶瓷的结构'>4.3.1 CaCu₃(Ti_1-xTa_x)₄O_12+2x陶瓷的结构
• 3(Ti_1-xTa_x)₄O_12+2x陶瓷的介电性能'>4.3.2 CaCu₃(Ti_1-xTa_x)₄O_12+2x陶瓷的介电性能
• 3(Ti_1-xSc_x)₄O_12-2x陶瓷的结构和介电性能'>4.4 CaCu₃(Ti_1-xSc_x)₄O_12-2x陶瓷的结构和介电性能
• 3(Ti_1-xSc_x)₄O_12-2x陶瓷的结构'>4.4.1 CaCu₃(Ti_1-xSc_x)₄O_12-2x陶瓷的结构
• 3(Ti_1-xSc_x)₄O_12-2x陶瓷的介电性能'>4.4.2 CaCu₃(Ti_1-xSc_x)₄O_12-2x陶瓷的介电性能
• 4.5 本章小结
• 3Ti₄O₁₂-SrTiO₃陶瓷的结构和介电性能'>第5章 CaCu₃Ti₄O₁₂-SrTiO₃陶瓷的结构和介电性能
• 5.1 CCTO-ST陶瓷的制备
• 5.2 CCTO-ST陶瓷的结构
• 5.2.1 晶体结构与相组成
• 5.2.2 显微结构
• 5.3 CCTO-ST陶瓷的介电性能
• 5.4 显微结构模型与介电性能
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录Ⅰ 文中所出现的缩写及相关符号
• 附录Ⅱ 攻读博士学位期间所发表的文章与申请的专利