MLCC用介质材料钛酸钡的制备及其性能研究

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随着电子产品的迅猛发展,国内外电子元器件市场需求量持续增长,作为世界上用量最大、发展最快的片式元件之一的片式陶瓷电容器(MLCC),是电子产品的重要部件,而介质材料是MLCC中重要的组成部分,介质材料钛酸钡因其具有介电常数高、介电损耗小、良好的铁电和绝缘性能,被广泛用于制备MLCC。为了适应MLCC小型化、薄层化、大容量、低成本等技术要求,钛酸钡粉体制备的研究显得越来越重要,制备方法中固相法仍处于主导地位,而且高质量的钛酸钡粉体仍依赖于进口,所以系统地研究固相法制备钛酸钡粉体过程中工艺参数的具体影响及作用机理具有重要的意义。  本文采用了固相法来制备钛酸钡粉体,即以碳酸钡和二氧化钛为原料,通过球磨混料后煅烧合成钛酸钡粉体,然后再通过球磨细化得到亚微米级的钛酸钡粉体。采用了X射线衍射仪、扫描电子显微镜、激光粒度分布仪、容量损耗测试仪等技术手段,系统研究了原料、球磨工艺和煅烧工艺中的各项工艺参数对混合前驱体和钛酸钡粉体颗粒尺寸、粒径分布、相组成、晶体结构、微观形貌、介电性能的影响,确定了最佳的工艺条件。  (1)研究了原料的初始粒度、粉体形貌、晶型和钡钛摩尔比对混合前驱体和钛酸钡粉体的影响,结果表明采用细的BaCO3和细的TiO2粉体为原料球磨得到的混合前驱体的粒度最小,分布最窄;原料粉体粒度越小,煅烧后粉体的杂相越少,但是粒度小到一定程度时得到的钛酸钡粉体偏向于立方相;钛酸钡的粉体的形貌主要是由TiO2粉体的形貌决定的;只有原料TiO2的晶型为金红石型时,才能得到单一的钛酸钡相;当钡钛比偏离了化学计量比时,如果钛离子或钡离子超过了固溶极限时,就会出现杂相,并且钛离子的固溶度大于钡离子的固溶度,随着钡钛比的增加,四方率呈现了先增大后减小再增大的变化。  (2)研究了球磨工艺中球磨时间、料球比、球磨方式、转速、介质尺寸等工艺参数对混合前驱体粉末和钛酸钡粉体各项性能的影响。由于设定参数具有干扰性,使得建立正交实验表来研究各个球磨工艺参数的影响没有得到理想的结果;通过对0h和8h不同球磨时间得到的混合料进行了DSC-TG曲线的对比,结果表明球磨8小时得到的混合粉料煅烧后更容易合成钛酸钡新相;在研究球磨时间对不同煅烧温度下粉料相组成的影响时发现,粉料经球磨细化后固相反应过程中不会产生第二相Ba2TiO4,而且球磨时间的增加有利于得到四方相的钛酸钡;二次球磨细化过程中,选取了不同的球磨时间进行球磨,随着球磨时间的增加,钛酸钡粉体的粒度慢慢降低,当球磨时间达到10小时时,粉体的粒度达到最小,分布也最窄,球磨时间再增加时,粉体会发生团聚;球料比最合适的比例控制在2∶1,此时的粉体粒度最小;行星磨球磨混料得到的粉体的粒度比滚磨得到的粉体的粒度小,通过卧式行星式细化方式得到的粉体的颗粒尺寸在100~200nm,分散性、均匀性较好,球磨效率比立式行星磨高;研究了不同球磨机转速对钛酸钡粉体粒度的影响,当转速从200r/min增加到500r/min时,粉体的颗粒尺寸逐渐减小,当球磨转速为500r/min时粉体粒度最小,球磨效率最高;当使用φ0.6mm的锆球进行球磨时,得到的钛酸钡粉体的粒径较小,约为0.5~0.6μm,粒度分析D50为0.626μm,并且钛酸钡陶瓷的介电常数较高,室温下为3250,电容随温度的变化率小,容温特性表现较好,性能较稳定。  (3)研究了不同煅烧温度下,粉体的相组成和颗粒大小情况,当煅烧温度为900℃时得到了立方相的钛酸钡粉体,煅烧温度为1000℃时得到了四方相的钛酸钡粉体,四方率c/a=1.0105,随着煅烧温度的增加,晶粒尺寸增大,c/a随之增大,随着煅烧温度的增加,BaTiO3粉体的颗粒尺寸逐渐变大,当煅烧温度达到1200℃时,颗粒尺寸达到了2μm;利用砂磨机进行混料,研究了煅烧温度对陶瓷介电性能的影响,结果表明:当煅烧温度为1100℃时,钛酸钡陶瓷室温的介电常数约为3000,在室温至100℃附近,介电常数基本稳定在3000左右,满足MLLC产品介质材料的要求;保温时间的适当延长有利于四方相的形成、混合粉体的充分反应和衍射峰的分裂;不同升温速率(3℃/min和8℃/min)均得到了四方相的钛酸钡,但是快烧衍射峰峰强较弱。研究了不同的烧结温度和保温时间对钛酸钡陶瓷介电常数和损耗的影响,结果表明:烧结温度为1280℃,保温时间为3h时,钛酸钡陶瓷的介电常数最高为1980,损耗为0.011。
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