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低温烧结钛酸锶钡陶瓷的介电性能

作　者: 荆慧霞
导　师: 刘鹏
学　校: 陕西师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: BST陶瓷低温烧结烧结性能介电性能
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年米,为了进一步满足电子元器件微型化与电子电路高密度化的需求,低温共烧陶瓷技术(LTCC)技术作为一种新的整合组件技术快速的发展了起来。当该技术在低频应用时,所用材料必须具有高介电常数以缩小器件的尺寸。同时,低的介电损耗和高的可调性以及低于950℃的烧结温度是该材料作为LTCC可调器件必不可少的因素。作为一种典型的钙钛矿结构的铁电材料钛酸锶钡(BST)因其具有高的介电常数、低的介电损耗和直流电场下的介电可调性而被广泛的用在LTCC可调器件上(如滤波器、移相器等)、多层陶瓷电容器上。然而,利用传统固相法制备的BST陶瓷具有较高的烧结温度(1350℃)限制了它在LTCC可调器件方面的应用。降低BST陶瓷烧结温度的同时能维持其介电性能不受破坏(尤其是可调性与介电损耗)是研究此类材料问题的关键所在。本文通过两种途径来达到这一目的。其一,利用多种低熔点氧化物共掺杂,以期得到介电常数适当、介电损耗小和保持较高介电可调度的陶瓷(如第三、四章)。其二,将烧结助剂和具有优良介电性能的材料共同加入BST材料中,希望降低其烧结温度的同时调节其介电性能(如第五章)。按照上述思路,本文采用标准电子陶瓷工艺技术,在BST基体中,掺杂多种氧化物或介电性能优良的材料,研究了所得陶瓷的烧结行为、相结构、显微组织和介电性能。本文的主要研究结果如下：1.本文第三章采用用固相反应法制备了CuO和Li2CO3共掺杂Ba0.60Sr0.40TiO3陶瓷,研究了陶瓷的烧结特性、相结构、显微组织结构及介电性能。结果表明:2wt.%Li2CO3和0.2 wt.%CuO共掺杂可有效的将BST的烧结温度降低至925℃,成功的实现了BST陶瓷的低温烧结。XRD表明陶瓷由立方钙钛矿结构的Ba0.60Sr0.40TiO3组成,只有微量的杂相出现。CuO含量的增加,BST的主峰向低角移动,由此造成的晶格扭曲和氧空位的形成都会加速物质传送过程,从而有效的促进烧结。此外,第二相的形成提供了最好的润湿条件从而有效的加速了烧结过程。SEM表明助烧剂的加入使陶瓷内部形成大量的液相,有效的降低了BST陶瓷的温度。CuO的加入后,陶瓷表现出明显的扩散相变特征,顺电相处极性纳米微区的形成是材料能保持较大可调性的重要原因。925℃下烧结的2 wt.%Li2CO3和0.2 wt.% CuO共掺杂的BST陶瓷具有良好的介电性能：εr=2725, tanδS=0.0044(10 kHz、20℃),可调性为32.2%(10 kHz,2 kV/mm),从而可与银电极共烧而用于LTCC可调器件。2.用固相反应法制备了Bi2O3和Li2CO3共掺杂Ba0.60Sr0.40TiO3陶瓷,研究了陶瓷的烧结特性、相结构、显微组织结构及介电性能。实验结果表明,2 wt.%Li2CO3和0.8 wt..%Bi2O3共掺杂可有效的将BST的烧结温度降低至925℃,成功的实现了BST陶瓷的低温烧结；XRD表明陶瓷由立方钙钛矿结构的Ba0.60Sr0.40TiO3组成,无杂相生成。SEM表明加入助烧剂使陶瓷内部形成大量的液相,有效的降低了BST陶瓷的温度。Bi2O3的加入,明显改善了BST的可调性。这与小半径的Bi3+取代了大半径的Ba2+、Sr2+而导致Ti4+的活动空间增大相关。925℃下烧结的2wt.%Li2CO3和0.8wt.%Bi2O3共掺杂的BST陶瓷具有良好的介电性能：εr=4189,tanδ=0.155(10 kHz、20℃,可调性可高达48%。3.用固相反应法制备了TiO2和Li2CO3共掺杂Ba0.60Sr0.40TiO3陶瓷,研究了陶瓷的烧结特性、相结构、显微组织结构及介电性能。实验结果表明,2wt.%Li2CO3和2 mol.%TiO2共掺杂可有效的将BST的烧结温度降低至1050℃,成功的实现了BST陶瓷的低温烧结；XRD表明陶瓷由立方钙钛矿结构的Ba0.60Sr0.40TiO3组成。随着Li2CO3含量的增加,BST的主峰向低角移动,由此形成的氧空位会中和活跃于Ti4+与Ti3+之间的电子,从而抑制了Ti4+的变价,从而有效的降低了损耗。1050℃下烧结的2wt.%Li2CO3和2mol.%TiO2共掺杂的BST陶瓷具有良好的介电性能：εr=1276,tanδ=8×10-4(10 kHz、20℃)

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 引言  9
  1.2 低温共烧陶瓷技术(LTCC)  9-11
    1.2.1 LTCC技术概述及其优点  9-10
    1.2.2 国内LTCC技术的发展现状及应用  10-11
  1.3 LTCC器材(微波可调器件)对材料的性能要求  11
  1.4 BST的晶体结构与主要性质  11-13
    1.4.1 BST的晶体结构  11-12
    1.4.2 BST的主要性质  12-13
  1.5 Ba_xSr_(1-x)TiO_3系介质材料研究现状  13-19
    1.5.1 低温烧结Ba_xSr_(1-x)TiO_3系介质材料研究现状  13-15
    1.5.2 低温烧结的相关原理  15-17
    1.5.3 介电非线性的研究进展  17-19
  1.6 本论文的主要内容  19-21
第2章钛酸锶钡陶瓷的制备与表征  21-29
  2.1 所用原料  21
  2.2 制备工艺  21-25
  2.3 陶瓷样品的表征  25-27
    2.3.1 烧结性能表征  25-26
    2.3.2 结构表征  26
    2.3.3 介电性能表征  26-27
  2.4 本章小结  27-29
第3章 CuO和Li_2CO_3共掺杂BST陶瓷的介电性能  29-37
  3.1 样品制备  29
  3.2 样品的烧结性能  29-30
  3.3 相结构和显微组织  30-32
  3.4 样品的介电性能  32-34
  3.5 本章小结  34-37
第4章 Bi_2O_3和Li_2CO_3共掺杂BST陶瓷的介电性能  37-45
  4.1 样品制备  37
  4.2 样品的烧结特性  37-38
  4.3 相结构和显微组织  38-40
  4.4 样品的介电性能  40-42
  4.5 本章小结  42-45
第5章 TiO_2和Li_2CO_3共掺杂BST陶瓷的介电性能  45-55
  5.1 样品制备  45
  5.2 加入TiO_2的样品的性能  45-50
    5.2.1 样品的烧结性能  45-46
    5.2.2 相结构和显微组织  46-48
    5.2.3 样品的介电性能  48-50
  5.3 加入Li_2CO_3的样品的性能  50-54
    5.3.1 样品的烧结性能  50
    5.3.2 相结构和显微组织  50-51
    5.3.3 样品的介电性能  51-54
  5.4 本章小结  54-55
第6章结论  55-57
  6.1 全文结论  55-56
  6.2 进一步研究工作建议  56-57
参考文献  57-63
致谢  63-65
攻读硕士学位期间科研成果  65

低温烧结钛酸锶钡陶瓷的介电性能

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