新型多层片式压敏-电容双功能电子陶瓷元件的制备与性能研究

摘要

本实验以ZnO基压敏陶瓷和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)基介电陶瓷为基元材料，采用多层片式陶瓷电容器(MLC)的制备方法制备了多层片式压敏-电容双功能陶瓷元件(MLVC)，并研究了其电性能特点和微观结构。 首先分别选出ZnO-Bi2O3基压敏陶瓷和PMN基介电陶瓷作为双功能元件中起压敏效应和电容效应的基元材料。以传统陶瓷制备工艺，通过调整配方和改善烧结条件，研究了这两种电子陶瓷的电性能特点。实验表明：掺入适量玻璃料的ZnO-Bi2O3压敏陶瓷，可在较低的烧结温度(960℃，1.5h)下具有良好的压敏性能(压敏电压V1mA为701.4V/mm，非线性系数α为32.0)；PMN基介电陶瓷也可在相同的条件下烧结，在室温1KHz下测得其相对介电常数ε/ε0为9000，损耗tanδ＜5.0×10-2，绝缘电阻率达到1013Ω·cm。 从烧结膨胀收缩变化、界面反应程度这两个角度重点分析了这两种陶瓷共烧的相容性。分析说明：ZnO2＃压敏陶瓷和PMN6＃介电陶瓷烧结收缩行为相似且共烧时没有发现两者存在界面反应，充分肯定了两者共烧的可行性。因此，采用轧膜工艺制备了ZnO2＃压敏陶瓷和PMN6＃介电陶瓷的坯片，利用MLC制备方法中的内电极印刷、叠层技术，一次性烧结制备了多个以Ag/Pd或Pt为内电极的MLVC。实验表明，以Ag/Pd为内电极的MLVC随着叠片层数的增加，MLVC的压敏电压有所下降，V1mA在200～250V之间，非线性系数基本不变，α值约为20。在叠片层数、方式相同的情况下，以Pt为内电极MLVC的压敏电压比以Ag/Pd为内电极MLVC的稍高，α值也为20左右，这主要是由两种内电极与ZnO2＃陶瓷的微观接触界面反应不同造成的。叠片方式对MLVC压敏性能的影响不大，但对MLVC电容性能却有很大影响。非交错叠片型MLVC比交错叠片型MLVC的电容量大，可达几十纳法，而交错叠片型MLVC的电容量一般只有几纳法。观察MLVC中陶瓷与陶瓷、内电极与陶瓷之间的相界，发现它们之间几乎没有界面反应，界面呈现的微观结构特点与MLVC的电性能变化一致。 根据PMN1＃介质瓷的烧结收缩特点，制备了以PMN1＃介质瓷为原料的MLC，它与以ZnO2＃压敏陶瓷为原料制备的MLV相结合，成功制备出同样具有压敏-电容双功能的MLVC。它与一次性烧结制备的MLVC相比，压敏电压Vim偏高(250～370V)，α值约为20，电容量很大，达数十纳法。本实验成功制备了具有双功能的MLVC，为开发低压压敏、高电容量双功能陶瓷材料或元件提供了有益的参考，这种保护性电子元件在现代电子设备中具有广泛的应用前景。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1压敏-电容双功能的重要性

1.1.2压敏-电容双功能的卓越性能

1.2压敏-电容双功能陶瓷材料的研究现状

1.2.1 SrTiO3基双功能陶瓷材料

1.2.2 TiO2基双功能陶瓷材料

1.3陶瓷电容元件的概述

1.3.1电介质工作机理

1.3.2性能特点

1.3.3陶瓷电容器常用介质瓷的分类

1.3.4多层片式陶瓷电容器

1.4压敏陶瓷元件的概述

1.4.1压敏机理

1.4.2主要性能参数

1.4.3压敏电阻发展的历程

1.4.4多层片式压敏电阻

1.5课题的提出

1.5.1压敏-电容双功能陶瓷元件的研究现状

1.5.2本课题的主导思想及研究内容

第二章实验过程

2.1实验所用原料

2.2实验所用设备

2.3工艺流程

2.3.1干压成型工艺路线图

2.3.2多层片式电容器工艺制备双功能元件路线

2.3.3仿多层片式电容器工艺制备双功能元件路线

2.3.4实验流程的有关说明

2.4性能测试

2.4.1压敏性能的测试

2.4.2电容性能的测试

2.4.3陶瓷热膨胀率的测试

2.5数据处理涉及公式

2.6分析仪器的使用

第三章压敏材料的选择与制备

3.1 ZnO基压敏陶瓷

3.2 SrTiO3基和TiO2基压敏陶瓷

3.3压敏材料的选择

3.4压敏材料制备的实验研究

第四章电容材料的选择与制备

4.1数学模型

4.2数学模型的数据分析、数学模型和材料选择之间的关系

4.3电容材料制备的实验研究

第五章多层片式压敏-电容双功能元件的制备与性能研究

5.1 ZnO与PMN两种陶瓷材料共烧结可能性的分析

5.1.1 ZnO与PMN两种陶瓷烧结形变比较

5.1.2共烧结时ZnO与PMN两种陶瓷界面微观形貌和成分分析

5.2多层片式电容器工艺制备压敏-电容双功能陶瓷元件

5.2.1 MLVC的电性能

5.2.2 Ag/Pd内电极MLVC微观界面及成分分析

5.2.3 Pt内电极MLVC微观界面及成分分析

5.3仿多层片式电容器工艺制备压敏-电容双功能陶瓷元件

第六章结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文与科研情况说明

致谢