稀土摻雜BaTiO3介電陶瓷的溶膠—凝膠法制備及其性能研究.pdf

1、鈦酸鋇(BaTiO3)是最早被發(fā)現(xiàn)的一種具有ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的功能材料，具有較高的介電常數(shù)以及優(yōu)良的介電和鐵電性能，是生產(chǎn)多層陶瓷電容器(MLCC)的重要母體原料。但研究中發(fā)現(xiàn)，BaTiO3的介電常數(shù)在居里點附近有較大的突變，即介電溫度穩(wěn)定性較差，因此需要引入摻雜劑對BaTiO3進行改性。而采用傳統(tǒng)的固相法所制備的粉體粒度較大、摻雜劑分布不均勻，且燒結(jié)成陶瓷所需溫度較高，一方面使MLCC器件的介質(zhì)層不易與電極層共燒，另一方面容易引起

2、陶瓷晶粒的異常長大，降低MLCC器件使用的可靠性。
　　溶膠-凝膠法是廣泛應(yīng)用于無機非金屬材料領(lǐng)域的低溫濕化學(xué)合成手段，目前已成為制備高質(zhì)量功能陶瓷，特別是電子級陶瓷粉體的重要方法。前驅(qū)體原料經(jīng)過溶膠-凝膠過程，可在低溫下合成粒度較小、摻雜劑分布均勻、物相純凈、燒結(jié)活性高的納米陶瓷粉體，能夠滿足電子器件小型化、集成化、高可靠性的要求。本文首次采用溶膠-凝膠法制備了稀土離子Sc3+單獨摻雜以及Sc3+和Dy3+復(fù)合(DyScO3)摻

3、雜改性的BaTiO3納米粉體，并利用該粉體在低溫下燒結(jié)成陶瓷，重點研究了溶膠-凝膠法引入稀土離子Sc3和Dy3+對BaTiO3的物相、微結(jié)構(gòu)和介電性能的影響。取得的主要研究成果如下:
　?。ㄒ唬┎捎萌苣z-凝膠法制備了Sc3+摻雜BaTiO3納米粉體及陶瓷，確定了最佳的溶膠-凝膠工藝條件。干凝膠經(jīng)750～800℃熱處理2h后，可以獲得平均粒徑為20～30nm、尺度分布較窄、具有較高燒結(jié)活性的單相納米粉體。在此基礎(chǔ)上，進一步制備了不同

4、Sc3+摻雜量的BaTiO3納米粉體，XRD結(jié)果表明粉體均為贗立方相，且峰位隨著Sc3+摻雜量的增大向低角度移動，說明Sc3+很好地摻入了BaTiO3品格。采用該體系的納米粉體，在1000～1400℃的溫度下燒結(jié)6h成為陶瓷，并分析其物相，建立了BaTi1-xScxO3-δ(x=0～0.17)體系的固溶體相圖。相圖和密度測試顯示由納米粉體所得的陶瓷坯體經(jīng)1200℃燒結(jié)6h可以得到BaTi1-xScxO3-δ單相致密陶瓷。摻雜Sc3+對陶

5、瓷晶粒的細化起到了重要作用，并引起B(yǎng)aTiO3介電性能的變化。當(dāng)Sc3+的摻雜量不同時，BaTiO3陶瓷的電阻分別由晶界或晶粒電阻兩種機制決定，由此產(chǎn)生不同類型的阻抗譜響應(yīng)。BaTiO3陶瓷的居里溫度和介電常數(shù)隨著Sc3+摻雜量的增大而降低;當(dāng)摻雜量x增大到0.10時，居里點和鐵電性消失，并在低溫下出現(xiàn)介電弛豫行為。
　　（二）在Sc3+單獨摻雜BaTiO3制備和性能的研究基礎(chǔ)上，通過溶膠-凝膠法合成了DyScO3復(fù)合摻雜的新型(

6、1-x)BaTiO3-xDyScO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)納米粉體，由于納米粉體較高的燒結(jié)活性和復(fù)合摻雜引起的缺陷的增加，坯體可以在1150℃的低溫下燒結(jié)致密，不僅保證了(1-x)BaTiO3-xDyScO3陶瓷能夠與70Ag-30Pd等電極進行共燒，而且避免了晶粒的異常長大。摻雜引起的缺陷也使得晶粒的生長受到抑制，當(dāng)x=0.06時，(1-x)BaTiO3-xDyScO3陶瓷的晶粒尺寸僅為200nm。晶粒尺寸的減小使得介電峰寬化，居里溫度由x=0時