摘 要

巨介电常数是指电介质的介电常数高于或者等于10⁴的数量级，SrTiO₃基陶瓷具有高介电常数，低介电损耗，温度和频率稳定性好，对巨介电陶瓷的制备有重要意义。本实验以稀土元素Sm、La和Nd对SrTiO₃进行A位掺杂，分别在氮气和空气条件下烧结，分析稀土掺杂对陶瓷介电性能的影响，并解释产生这种影响的机理，以期望获得巨介电陶瓷。在稀土掺杂的基础上继续对其进行改性研究，用Zr⁴ 对稀土掺杂中性能较好的Sm_0.02Sr_0.98TiO₃陶瓷B取代，研究Zr⁴ 掺杂对陶瓷介电性能有何影响，并且分析陶瓷的偏压稳定性是否有变化。

关键词：SrTiO₃陶瓷，介电常数，介电损耗，稀土元素掺杂，偏压稳定性

Abstract

The giant dielectric constant refers to the dielectric constant higher than or equal to 10⁴ orders of magnitude, SrTiO₃ based ceramics have high dielectric constant and low dielectric loss, its temperature and frequency stability is good as well, which is significant for the preparation of giant dielectric ceramics. The experiment doped A place in SrTiO₃ ceramics with rare earth elements such as Sm、La and Nd, then sinter them under the condition of nitrogen and air respectively, analyze the dielectric properties of rare earth elements doping SrTiO₃ based ceramics, and explain the reason of such change, to get the giant dielectric ceramics. On the basis of SrTiO₃ ceramics doped rare earth elements, we continue to research the modified dielectric properties, Use Zr⁴ to replace B place in the cubic of Sm_0.02Sr_0.98TiO₃ ceramic which is shows good dielectric performance, and research what influence will Zr⁴ have on ceramics, analyze whether the bias stability of ceramic will change.

Key words: SrTiO₃ ceramic, dielectric constant, dielectric loss, rare earth elements doping, bias stability

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 高储能密度的巨介电陶瓷材料 1

1.1.1 高介电常数陶瓷材料的研究进展 1

1.1.2 关于巨介电陶瓷材料偏压稳定性的研究现状 2

1.2 SrTiO₃基陶瓷的巨介电常数研究进展 2

1.2.1 A位施主掺杂SrTiO₃基陶瓷的研究进展 2

1.2.2 B位Zr掺杂对SrTiO₃基陶瓷性能影响的研究现状 3

1.3 本论文的研究内容 4

1.3.1 论文的研究目的 4

1.3.1 论文的研究思路 4

第二章 施主掺杂SrTiO₃基陶瓷的制备工艺和研究测试方法 5

2.1 SrTiO₃基陶瓷的制备工艺 5

2.1.1 实验的制备流程 5

2.1.2实验需要的样品和设备 6

2.2介电陶瓷的结构和性能表征方法 7

2.2.1相对密度测试 7

2.2.2 X射线衍射分析 8

2.2.3扫描电子显微镜分析 8

2.2.4介电温度谱测试 9

2.2.5交流阻抗谱及介频谱的测试 9

2.2.6偏压性能的测试 9

第三章 不同稀土元素施主掺杂SrTiO₃基陶瓷的结构与介电性能 11

3.1稀土元素掺杂SrTiO₃基陶瓷的结构表征 11

3.2稀土元素掺杂SrTiO₃基陶瓷的介电性能 13

3.2.1纯SrTiO₃基陶瓷和稀土掺杂的陶瓷在常温下的介电性能 13

3.2.2不同气氛下烧结的Sr_0.98Sm_0.02TiO₃陶瓷的介电性能 14

3.2.3不同气氛下烧结的Sr_0.98La_0.02TiO₃陶瓷的介电性能 16

3.2.4不同气氛下烧结的Sr_0.98Nd_0.02TiO₃陶瓷的介电性能 17

3.3稀土元素掺杂对SrTiO₃基陶瓷介电性能的影响机理 18

3.4本章小结 21

第四章 B位Zr掺杂对Sm_0.02Sr_0.98TiO₃的改性分析 23

4.1 Zr⁴ 掺杂Sm_0.02Sr_0.98TiO₃陶瓷的结构 23

4.2 Zr⁴ 掺杂Sm_0.02Sr_0.98TiO₃陶瓷的介电性能 25

4.3 Zr⁴ 掺杂Sm_0.02Sr_0.98TiO₃陶瓷的偏压稳定性 28

4.4本章小结 29

第五章 结论 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1 高储能密度的巨介电陶瓷材料

随着能源不断地被消耗和利用，提高能源的利用效率开发新的能源成为现在的主流课题，储能电容器因为其本身具有的充放电速度快，抗循环老化以及性能稳定的优点，符合新时代能源利用的要求，而随着材料学的发展，不同材料的储能电容器进入我们的视线，研发高储能密度的电容器成为科学研究的热门^[12]。而陶瓷介电材料本身具有介电常数高，热稳定性好和可靠性高的优点，使得陶瓷介电材料被广泛应用，其中铁电陶瓷可以通过A位施主掺杂进一步提高介电常数，当介电常数高于10⁴数量级的时候，我们将这种介电陶瓷称之为巨介电陶瓷。然而介电常数只是影响储能密度的一个主要方面，介电强度也是影响储能密度关键^[3]。本论文在进行研究A位施主掺杂以提高介电常数的基础上，分析其介电性能的影响机理，并通过B位施主掺杂探究对偏压稳定性的变化。

1.1.1 高介电常数陶瓷材料的研究进展

目前研究的领域来讲具有高介电常数的陶瓷材料有以下几类：1.MLCC用高介电常数介电材料，MLCC是片式多层陶瓷电容器的缩写，MLCC用高介电常数的介电材料可以归结为以下几个体系：BaTiO₃系材料；(Ba，Ca) (Ti，Zr) O₃系材料，复合Pb钙钛矿材料。BaTiO₃系材料电气性能较稳定，在温度和电压改变时性能变化并不显著，所以BaTiO₃能够制造出容量较大的电容器。而在BaTiO₃中加入Ca² 和Zr⁴ ，两者分别进入晶格中的Ba² 和Ti⁴ 位置，形成BCZT陶瓷，但是BCZT体系的材料虽然具有高的介电常数，但是它对温度和电压敏感度较高^[2]。复合含Pb钙钛矿系材料介电常数通常较高，但是Pb材料容易造成环境污染，所以这种材料体系有待进一步研究。

2.高介电常数微波介质陶瓷，主要应用于低微波频段的民用移动通信系统中作为介质谐振器，主要有BaO-La₂O₃-TiO₂系列、复合钙钛矿CaO-Li₂O-La₂O₃-TiO₃系列及铅基钙钛矿系列。目前对BaO-La₂O₃-TiO₂系列主要是通过改性掺杂，改变各组分体系得到性优异的微波介质陶瓷^[13]；复合钙钛矿CaO-Li₂O-La₂O₃-TiO₃陶瓷是具有较高的介电常数的微波介质陶瓷，为提高材料的性能多采用复合添加的方法，这主要是由于复合添加对改善显微结构有良好的作用，可以减少单独添加时显微结构的缺陷^[7]；铅基钙钛矿系列在微波频率下具有高介电常数，而由于铅基钙钛矿系列的烧结温度高，在高温下PbO的挥发严重所以Pb基钙钛矿陶瓷的介电性能很难控制，还会对环境造成污染，这样就制约了它的发展。