CCTO摻雜對BaTiO3-Nb2O5-Co3O4陶瓷系統(tǒng)介電性能的影響

羅 旭，蒲永平，趙 新

(陜西科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

鐵電陶瓷又稱為 II 類低頻電容器陶瓷，這類電容器多用于濾波、旁路和耦合等電子電路中，一般要求有極大的電容量，因此要求用介電常數很高的瓷料來制備.以 BaTiO3(BT)陶瓷為代表的鐵電體具有較高的介電常數，是制造鐵電陶瓷電容器的基礎材料，也是目前國內外應用最廣泛的電子陶瓷材料之一[1].現今BaTiO3陶瓷的研究方向主要有提高介電常數和提高溫度穩(wěn)定性兩方面.研究通過對BaTiO3陶瓷摻雜改性達到美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)標準Z5E、Z7E等陶瓷電容器的要求[2,3].

BaTiO3陶瓷溫度穩(wěn)定性的提高采用Nb-Co共摻雜的方式.BaTiO3陶瓷Nb-Co共摻雜后會形成一種“殼-芯”結構[4-8]，這種結構晶粒中包括連續(xù)變化的雜質梯度區(qū)，等價陽離子的BaTiO3順電殼及未反應的BaTiO3鐵電芯，對改善容量溫度特性非常重要[9-12].

CCTO為巨介電常數材料，目前多數報道認為CCTO陶瓷由相對絕緣和導體化的部分組成，從而容易形成內部阻擋層電容器結構，當經過一個特定溫度后產生結構的畸變使立方晶格對稱性下降，使CCTO具有巨介電常數[13,14].為了提高BNTC陶瓷系統(tǒng)的室溫介電常數，本研究在BNTC系統(tǒng)中摻雜一定濃度的CCTO，研究CCTO 摻雜對該系統(tǒng)陶瓷介電性能的影響.

1 實驗

以BaTiO3、Nb2O5、Co3O4、CuO、CaCO3、TiO2粉體為原料，采用傳統(tǒng)氧化物混合工藝，首先在950 ℃下預燒12 h合成純相的CCTO粉體.向BTNC(Nb2O5、Co3O4摻雜總量為1.0at%， Nb/Co為3)系統(tǒng)中摻雜不同量(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0at%)的 CCTO.用行星式球磨機球磨4 h，造粒，干壓成型，制成直徑為12.6 mm、厚度為1.5 mm的圓片型樣品.按照一定的升溫制度在1 130 ℃下保溫3 h燒結.將樣品表面拋磨加工，被銀并在650 ℃下燒銀制成銀電極.

采用日本理學D/max2 2200PC自動X射線衍射儀(XRD)對晶體結構及物相組成進行分析；采用Agilent E4980A電容測量分選儀對樣品的介電性能進行測試.測試電壓為1 V，頻率為1 kHz.

2 結果與討論

預合成CCTO粉體的XRD圖譜如圖1所示.從圖1中可以看出預合成的粉體各個特征峰與CCTO特征峰非常吻合，證明合成了純相的CCTO晶相.

2.1 CCTO摻雜對BT基陶瓷介溫特性的影響

圖2為不同量CCTO摻雜的BT基陶瓷在20～140 ℃范圍內的介溫曲線.隨著CCTO摻雜量的增加，系統(tǒng)的介電常數呈下降趨勢.在120～130 ℃之間曲線出現峰值，即居里溫度Tc.隨著CCTO摻雜量的增多，Tc向高溫方向移動，并且出現壓峰效應.

圖1 預合成CCTO粉體的XRD圖譜

圖2 CCTO摻雜BT基陶瓷的介溫曲線及溫度-損耗曲線

在20～85 ℃溫度范圍內，當CCTO摻雜量為3.0%時，體系平均介電常數>2 600，溫度穩(wěn)定性△C/C≤4.7%，介電損耗tanδ≤0.024.

CCTO的加入提高了BT系統(tǒng)的介電常數，但隨著CCTO摻雜量的增大，系統(tǒng)的介電常數降低.這是因為CCTO在BT中并不是以其原有結構存在，其中有一部分已經分解為CaO、CuO和TiO2.圖2中所表現的壓峰和移峰的現象，即是由于體系中出現了CaO和CuO所導致的.

2.2 CCTO摻雜對BTNC基陶瓷介溫特性的影響

圖3為不同量CCTO摻雜的BTNC基陶瓷在20～140 ℃范圍內的介溫曲線.隨著CCTO的摻雜量增多體系的介電常數先增后減，當摻雜量為2.0%時達到最大(>2 800)；且隨著CCTO的摻雜量增加，體系的溫度穩(wěn)定性得到改善，當CCTO摻雜量為4.0%時，在20～125 ℃范圍溫度穩(wěn)定性△C/C≤7.5%.

圖3 CCTO摻雜BTNC基陶瓷的介溫曲線及溫度-損耗曲線

筆者認為在CCTO摻雜量小于2.0%時，CCTO以本身的結構進入到體系中，起到提高介電常數的作用.而當CCTO摻雜量大于2.0%后，CCTO在陶瓷系統(tǒng)中分解為CaO、CuO和TiO2，而CaO、CuO的引入使BaTiO3基陶瓷系統(tǒng)的介電常數降低，并進一步改善了溫度穩(wěn)定性.

3 結束語

(1)在20～85 ℃溫度范圍內，BT系統(tǒng)中CCTO摻雜量為3.0%時，體系介電常數>2 600，溫度穩(wěn)定性△C/C≤4.7%，介電損耗tanδ≤0.024.

(2)在20～125 ℃溫度范圍內， BTNC系統(tǒng)中CCTO摻雜量為2.0%時，體系的介電常數>2 700，溫度穩(wěn)定性△C/C≤10%，介電損耗tanδ≤0.038.

(3)在20～125 ℃溫度范圍內， BTNC系統(tǒng)中CCTO摻雜量為4.0%時，體系的介電常數>2 200，溫度穩(wěn)定性△C/C≤4.7%，介電損耗tanδ≤0.026.

[1] 蒲永平, 楊公安, 王瑾菲，等. 高介高穩(wěn)定性BaTiO3基鐵電陶瓷研究進展[J]. 電子元件與材料, 2008,27(11):1-3.

[2] Sea-Fue Wang. Dielectric properties of fine-grained barium titanate based X7R materials[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1999, 82(10): 2 677-2 682.

[3] K. J. Park, C. H. Kim, Y. J Yoon, et al. Doping behaviors of dysprosium, yttrium and holmium in BaTiO3ceramics[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2009, 29(2): 1 735-1 741.

[4] 蒲永平,楊公安,王瑾菲,等. BaTiO3-Nb2O5-Fe2O3陶瓷介電性能的研究[J]. 人工晶體學報, 2008,37(4):1 029-1 032.

[5] 王悅輝,莊志強. Nb、Co、La摻雜對BaTiO3介質陶瓷性能的影響[J]. 電子元件與材料, 2005,24(1):29-31.

[6] 劉 波,莊志強,王 歆. 鈮鈷鑭摻雜對BaTiO3陶瓷結構與介電性能的影響[J]. 電子元件與材料, 2005,24(4):36-38.

[7] 黃新友,陳志剛,李 軍,等. Nb2O5/Co2O3加入量對(Ba,Sr)TiO3基電容器陶瓷介電性能的影響[J]. 人工晶體學報, 2006,35(3):623-627.

[8] Hsing-I. Hsiang, Li-Then Mei, Yi-Jih Chun. Dielectric properties and microstructure of Nb-Co Co-doped BaTiO3-(Bi0.5Na0.5)TiO3ceramics[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2009, 24(3):1-4.

[9] Hennings D, Schreinemaher B S. Temperature stable dielectric materials in the system BaTiO3-Nb2O5-Co3O4[J]. Journal of the European Ceramic Society, 1994, 14(2): 463-468.

[10] Chang H K, Kum J P, Yeo J Y,et al. Role of yttrium and magnesium in the formation of core-shell structure of BaTiO3grains in MLCC[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2008, 28(3): 1 213-1 219.

[11] Armstrong T R, Buchanan R C. Influence of Core-Shell grains on the internal stress state and permittivity response of zirconia-modified barium titanate[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1990, 73(5): 1 268-1 273.

[12] Armstrong T R, Buchanan R C. Influence of Core-Shell grains on the internal stress state and permittivity response of zirconia- modified barium titanate[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1990, 73 (5): 1 268-1 273.

[13] 李 含,鄒正光,吳 一,等. CaCu3Ti4O12高介電材料的研究現狀與發(fā)展趨勢[J]. 硅酸鹽通報, 2009, 28(1):121-126.

[14] 吳裕功,王 蜻,張慧利,等. CaCu3Ti4O12巨介電氧化物陶瓷的制備與性能[J]. 材料導報, 2007, 21(12):118-120.