金属氧化物包覆BaTiO3基陶瓷介电性能研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

目前随着现代电子工业信息化和数字化的不断推进，电子线路呈现出高集成化、高频化的趋势，其中片式多层陶瓷电容器（multilayer ceramic capacitor，mlcc）已成为用量最大、发展最快的电容元器件。而batio3由于其介电常数大、介电损耗小等优良的介电性能，已经成为制备mlcc的使用最广泛的介质材料，被称为电子陶瓷元器件的基础母体原料。但是batio3在常温端介电常数较小，约为1400，而在其居里温度（约120℃）附近介电常数突增达到峰值，约为6000~12000，导致batio3不能直接应用于陶瓷电容器，需要对其进行掺杂改性以制备宽温稳定性陶瓷电容器，即改变居里温度和宽化介电峰是batio3基陶瓷电容器亟待解决的两大问题。对于改变居里温度，目前最有效的方法是通过向batio3添加移峰剂，掺杂离子取代batio3的ba位和ti位，使其居里温度发生改变。杨洋[1]研究发现，ca2 部分取代ti位形成立方相ba ti0.97ca0.03o2.97，其居里温度为59℃，远小于batio3的居里温度120℃；高顺起[2]向batio3中掺加少量bi2o3发现介电峰在向高温段移动的同时也被压低、展宽。此外，当ba位和ti位同时被取代时，协同作用使得移峰效率大大提升，如bi(me)o3-batio3体系[3-4]，其中me可为fe3 ，cr3 ，sc3 ，y3 等三价离子，也可为(mg0.5zr0.5)3 ，(zn0.5ti0.5)3 等均价为三价的复合离子。针对于宽化介电峰，一方面采用比ba2 半径小的离子取代batio3的ba位，所形成的新物质铁电性较弱，且取代量越大，形成的非铁电相越多，介温曲线越平缓，介电峰峰值减少，峰宽增大；另一方面可以通过表面包覆技术对batio3粉体颗粒表面进行改性，掺杂离子缓慢扩散进入batio3晶粒并与晶粒外层反应，形成非均匀性的“核-壳”结构[5-7]。“核-壳”结构的batio3基陶瓷晶粒，其整体的介电性能视作各梯度成分介电性能的叠加，并且可以通过maxwell–wagner方程[8]评估：logε=v_clog〖ε_c 〗 v_slog〖ε_s 〗

式中vc和vs分别为核和壳的体积分数，εc和εs分别为核和壳的介电常数。在使用温度下，具有“核-壳”结构的batio3晶粒由四方铁电“核”和伪立方顺电“壳”组成。“核”在居里温度（tc）有尖锐的介电峰，而“壳”在室温以上的介电常数较低。整体的介电特性对于温度变化并不敏感，介温曲线较为平坦。liu yu[9]等研究制备了被均匀nb2o5-co3o4层（约9nm）包覆的ba0.991bi0.006tio3细晶陶瓷颗粒，其最大介电常数为2795，，室温下的介电损耗低至0.89%，且满足eia-x8r标准（-55℃~ 150℃，容差为±15%）；chen lingling[10]等研究x(bi0.5na0.5)tio3-(1-x)[batio3-(bi0.5na0.5)tio3-nb]体系时发现当x=5mol%时，烧结得到的介电陶瓷也具有明显的“核-壳”结构，其最大介电常数约为2343，且满足eia-x9r标准（-55℃~ 200℃，容差为±15%）。

陶瓷粉体的表面包覆技术一般有非匀相沉淀法、溶胶凝胶法和醇盐水解法等[11]。溶胶凝胶法是指：先将改性原料溶于溶剂中，再加入溶质，使其通过醇解或者水解制得前驱体的溶胶；将预处理后的batio3粉体颗粒与溶胶均匀混合，溶胶经过搅拌加热转变为凝胶；最后将凝胶置于高温下锻烧，得到含包覆层的batio3粉体颗粒。溶胶凝胶法操作简单、易于掺杂、包覆层均匀的优点使其成为表面包覆技术中最重要的方式之一。而影响“核-壳”结构形成的主要因素有：（1）掺杂离子在batio3中的扩散速率，“核-壳”结构的稳定性取决于添加剂向batio3晶粒中心的扩散程度，扩散程度越大，越易导致“核-壳”结构成分均匀化，形成均匀固溶体[12-13]；（2）batio3粉体颗粒的粒径，batio3粒径大小直接影响核壳的体积比，从而影响结构整体的介电性能[14-15]。

hennings d认为“核-壳”结构的形成在很大程度上与掺杂离子在batio₃基体中的扩散速率有关。若扩散速率过快，掺杂的离子则会扩散至整个晶粒内部，造成“核-壳”结构的坍塌。所以需要通过控制掺杂离子在batio₃中保持较低的扩散速率，使其只扩散到外层batio₃，并形成致密化的壳层，抑制甚至阻止晶粒长大，从而形成稳定的batio₃ “核-壳”结构。而掺杂离子的扩散速率又与以下几个方面相关：

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

对比溶胶凝胶法、化学沉淀法、固相法等方式制备不同金属氧化物包覆batio₃基陶瓷结构与介电性能影响；分析不同金属氧化物对batio₃基陶瓷物相、形貌影响，核壳结构形成机理，并对比对介电性能的影响。。

3. 研究计划与安排

1-3周 查阅相关文献资料，完成英文翻译。

明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。

确定技术方案，并完成开题报告。

4. 参考文献（不低于12篇）

[1] 杨洋. ca掺杂batio3基介质陶瓷制备及其介电性能研究[d]. 武汉:武汉理工大学,2018.

[2] 高顺起. 中温烧结batio3基热稳定陶瓷铁电机理与中试生产研究[d]. 天津:天津大学,2012.

[3] shrout t.r, eitel r.e, randall c.a, et al. new high temperature morphotropic phase boundary piezoelectric based on bi(me)o3-pbtio3 ceramics[j]. japanese journal of applied physics, 2001,10(40):5999-6002.