高介电钛酸钡薄膜的电射流成型研究

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钛酸钡BaTiO3(BTO)拥有高介电常数和低介电损耗,良好的铁电、压电和绝缘性能,是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一,被誉为“电子陶瓷工业的支柱”,在储能器件以及微波通信领域有着重要的应用。本文主要围绕BTO薄膜的加工工艺展开,将电射流沉积和电泳沉积对比,选用了对于薄膜的沉积效果更好的电射流沉积方式。发展出了BTO厚膜的电射流沉积方法,配制了BTO悬浮液,研究了电射流参数对BTO薄膜形貌的影响,讨论了热处理方式对BTO结晶的影响;将电射流沉积和电纺丝工艺初步结合,制备了基于BTO的纺丝-薄膜-纺丝的三层结构,对其电容值进行了测试,最后利用COMSOL对这一结构进行了仿真。采用BTO溶液和稳定的悬浮液,在硅衬底上电射流沉积了BTO薄膜,研究了沉积高度和扫描间距对BTO厚膜的影响,降低电射流沉积高度和采用优化的扫描间距,有助于减少BTO薄膜裂纹并提高其致密性;讨论了薄膜热处理方式对薄膜形貌的影响。从预防裂纹产生的角度出发,提出阶梯预热的去应力方式以及合适的退火方案。依据XRD的分析结果,对BTO薄膜的退火温度和保温时间进行了对比,得出了最优的BTO薄膜的退火温度和时间。与电泳沉积BTO薄膜作对比,表明电射流沉积在制备薄膜方面具有优势。通过上述工艺制备的BTO薄膜在常温,1 kHz时的介电常数为2940。为了在薄膜表面形成微结构,研究了电纺丝工艺中实验参数对BTO纤维直径的影响,发现采用较大的纺丝高度和较小的流量可减少BTO丝径并增加其比表面积。在BTO薄膜基底上双面沉积BTO纤维,并且对其介电性能进行了测试和对比分析,结合COMSOL数值模拟,研究了微结构对于电容器的影响,结果表明在BTO薄膜表面增加微结构确实能够起到增加电容值的作用。
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