摘 要

作为应用最普遍的钙钛矿铁电体，钛酸钡（BaTiO₃）介电常数很高且绝缘性寿命长。然而，纯钛酸钡却存在温度稳定性不高、介电常数不够稳定等系列问题。本文通过研究Ta₂O₅和Nb₂O₅共掺杂的BaTiO₃陶瓷的介电性能，初步确定不同掺杂比例对BaTiO₃介电性能的改善效果，并且使用现代微观分析手段XRD、SEM等，对其内在机理进行了分析，所得结果对于进一步研究钛酸钡陶瓷的掺杂改性具有重要的意义。

本文使用固相法制备BaTiO₃陶瓷，主要研究了不同掺杂比例的共掺杂钛酸钡基介电陶瓷的性能。最终使钛酸钡陶瓷的致密度得到提高，其高温端的介电常数稳定性也得到了改善。Ta:Nb掺杂比例等于3:1时改善钛酸钡陶瓷效果最佳，介电常数Δε/ε_25℃≤±15%的温度区域是5℃~125℃，室温介电常数是3229，损耗为0.017。

关键词：钛酸钡；介电性能；掺杂

Abstract

Barium-titanate(BaTiO₃) which has high dielectric constant and long lifetime insulating property is one of the most widely used ferroelectrics. However, there are a series of problems such as instability of dielectric constant and low temperature stability in pure BT ceramics. In this paper, the dielectric properties of Ta₂O₅ and Nb₂O₅ co-Dope BT had been investigated to confirm the influence on the dielectric properties of BT of the relative content of Ta and Nb. Modern microstructure analysis techniques such as Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray diffraction analyzer(XRD) were used to explain it’s internal mechanism. The obtained result was important to the further studies on doping of BaTiO₃.

Solid reaction was used to make BaTiO₃ and the dielectric properties of co-doped BaTiO₃ based dielectric ceramics with different doping ratio were mainly studied. Finally, the density of barium-titanate ceramics was improved, and the dielectric constant stability of the high temperature end was improved also. The improvement of barium titanate ceramics was best, when Ta:Nb doping ratio equaled to 3:1. In this case, it’s dielectric constant change rate Δε/ε_25℃ less than 15% range from 5℃ to 125 ℃ with the dielectric constant of 3229, the dielectric loss of 0.017.

Key Words：BaTiO₃；Dielectric Properties；Doping

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 信息功能陶瓷材料 1

1.3 片式多层陶瓷电容器 2

1.4 钛酸钡基介电陶瓷 2

1.4.1 BaTiO₃的晶体结构 3

1.4.2 BaTiO₃陶瓷的介电性能 4

1.5 BaTiO₃陶瓷的改性机理 4

1.5.1 相变扩散效应 4

1.5.2 细晶理论 6

1.5.3 展宽效应 6

1.5.4 移峰效应 7

1.5.5 掺杂离子改性 8

第2章 实验过程及测试方法 9

2.1 实验工艺流程 9

2.1.1 主要仪器设备 9

2.1.2 主要试剂 9

2.1.3 钛酸钡粉体的制备 10

2.1.4 陶瓷样品的制备 10

2.2 样品分析与测试 11

2.2.1 致密度测试 11

2.2.2 X射线衍射分析 11

2.2.3 表面形貌分析 12

2.2.4 介电性能测试 12

第3章 实验结果与分析讨论 13

3.1 致密度结果及分析 13

3.2 XRD测试结果及分析 14

3.3 SEM测试结果及分析 14

3.4 介电性能测试结果及分析 15

第4章 总结与展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 引言

材料科学是一门发展中的学科，通常把具有电、磁、声、光、热等不同性能及通过特殊方法呈现出不同使用能效的一大类材料统称为功能材料。

功能陶瓷材料占据了整个材料行业的半壁江山，是电子材料的中流砥柱。随着科技发展，功能陶瓷越来越变得微小化、人工智能化，它的应用也逐渐渗透到每家每户，深入到我们的生活中^[1]。

新型功能陶瓷从选材到制作工艺都有别于普通陶瓷，是新时代要求下的产物。这种新型材料所具有的优异性能，不光与材料的构成组分有关，极大程度上还取决于其微观构造^[2]。功能陶瓷的种类很多，一般按照材料性质、结构、使用效能、材料用途等来分类，可以分为导电陶瓷、半导体陶瓷、高温超导陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、磁性陶瓷、纳米功能陶瓷、透明功能陶瓷几大类^[3]。功能材料的研究与发展有赖于新材料的合成和发现。现在的电子产品逐渐沿小型化、多功能化和高集成化的趋势发展，功能陶瓷的研究也随之取得了很多成果^[4]。

总而言之，随着科技的不断进步，现有的一般材料已经很难满足人们的需求，研发新的高性能材料是时代发展的必然要求，是科技强国战略的关键一步。

1.2 信息功能陶瓷材料

信息化是未来社会发展的必然趋势之一，从不断发展的信息化社会，飞速成长的移动通信行业，到计算机行业、智能手机行业的飞速发展，对高新电子行业的要求一直都很严苛，这带动了信息功能陶瓷的研究进程^[5]。