王玉梅

(陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院　陜西 漢中　723003)

富含CuO的CaCu3Ti4O12陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和介電性能的研究項(xiàng)目：陜西理工學(xué)院校級科研*

王玉梅

(陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院陜西 漢中723003)

摘要CaCu3Ti4O12陶瓷具有巨介電性，有助于電容器、存儲器等電子器件向高性能化和尺寸微型化的進(jìn)一步發(fā)展。研究了富含CuO對CaCu3Ti4O12陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和介電性能的影響，結(jié)果表明：富含CuO 可促進(jìn)CaCu3Ti4O12陶瓷晶粒的長大和提高均勻性，富含CuO有利于增加CaCu3Ti4O12陶瓷的介電性能的穩(wěn)定性，且介電性能的穩(wěn)定性跟陶瓷晶粒的均勻性有著一定的關(guān)系。

關(guān)鍵詞CaCu3Ti4O12CuO顯微結(jié)構(gòu)介電性能

前言

高介電材料是電容器、濾波器、諧振器、存儲器等電子器件向高性能化和尺寸微型化進(jìn)一步發(fā)展的重要保證。自從2000年 M A Subramanian[1]以及他的工作小組最早發(fā)現(xiàn)了CaCu3Ti4O12陶瓷(簡稱CCTO陶瓷)的巨介電性以來，人們就開始對此材料展開了深入的研究。研究發(fā)現(xiàn)[2~11]：CCTO陶瓷在具有高介電常數(shù)的同時(shí)也具有較大的介電損耗，使得這種材料的應(yīng)用受到了很大的限制。如何在保持CCTO陶瓷具有高介電常數(shù)的前提下有效地降低其介電損耗就成了亟待解決的問題。筆者旨在通過探索研究富含CuO對CCTO陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和介電性能的影響，以期能對CCTO陶瓷的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

1實(shí)驗(yàn)

選用純度為99.99%的CaCO3、CuO、TiO2等粉末為原料，按照化學(xué)計(jì)量比1∶ 3 (1+x)∶4進(jìn)行配料(x=0，1%，2%，3%，4%，5%)，用瑪瑙研缽手工研磨3 h后，置入1 700 ℃箱式電爐，在950 ℃下保溫10 h(升溫速率為5 ℃/min)，再用瑪瑙研缽手工研磨2 h后，得到所需要的陶瓷粉末。采用WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)在不銹鋼模具中將陶瓷粉末干壓成直徑為11.5 mm的圓形坯體，放置于1 700 ℃箱式電爐，在1 075 ℃下保溫10 h，升溫速率為5 ℃/min，制得CCTO多晶陶瓷，然后隨爐自然冷卻。采用JSM-6390LV型掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察陶瓷的斷面微觀形貌，常溫下將CCTO陶瓷片兩面刷上C-1180型電子漿料再放置馬弗爐中，825 ℃燒滲銀電極，用Angilent 公司生產(chǎn)的4294A型精密阻抗分析儀測試樣品的介電性能。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微結(jié)構(gòu)觀察

圖1為1 075 ℃保溫10 h燒結(jié)制備的富含不同CuO含量的CaCu3(1+x)Ti4O(12+3x)陶瓷斷面的SEM圖。對樣品的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析觀察，從圖1可以看出，除了富含1%以外其它含量的陶瓷晶界明晰，在陶瓷中均可清晰看到細(xì)小亞晶相，理論上應(yīng)為CuO相。富含1%CuO的CCTO陶瓷呈不正常生長狀態(tài)；富含3% CuO和富含5% CuO的CCTO陶瓷晶粒尺寸較均勻，大約為10 μm；富含5% CuO的CCTO陶瓷的致密性要優(yōu)于富含3%的；純CCTO和富含2% CuO以及富含4% CuO的CCTO陶瓷基本呈現(xiàn)大片粘連狀態(tài)，只在少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)晶粒尺寸不均勻，大小為5~15 μm。

圖1　1 075 ℃保溫10 h燒結(jié)制備的CaCu3(1+x)Ti4O(12+3x)陶瓷斷面的SEM圖片(x=0，1%，2%，3%，4%，5%)

2.2　介電性能分析

圖2為1 075 ℃保溫10 h燒結(jié)制備的CaCu3(1+x)Ti4O(12+3x)(x=0，1%，2%，3%，4%，5%)陶瓷的介電常數(shù)與頻率(100~1 000 Hz)的關(guān)系圖。

圖2　1 075 ℃保溫10 h燒結(jié)制備的CaCu3(1+x)Ti4O(12+3x)(x=0，1%，2%，3%，4%，5%)陶瓷的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖(100～1 000 Hz)

從圖2可以看出，CCTO陶瓷的相對介電常數(shù)呈現(xiàn)緩慢減小趨勢, 介電常數(shù)均高于2.5×104。富含超過1% CCTO陶瓷的相對介電常數(shù)幾乎不隨頻率變化，特別是富含3%和5%CuO的CCTO陶瓷的介電常數(shù)在此頻率區(qū)間可以看做不變，可見晶粒的均勻性對介電常數(shù)的影響較大。其中，純CCTO陶瓷的相對介電常數(shù)最高，最高可達(dá)1.2×105，富含CuO的CCTO陶瓷的相對介電常數(shù)均小于純CCTO陶瓷的。

圖3　1 075 ℃保溫10 h燒結(jié)制備的CaCu3(1+x)Ti4O(12+3x)(x=0，1%，2%，3%，4%，5%)陶瓷的介電損耗與頻率的關(guān)系圖(100～1 000 Hz)

圖3為1 075 ℃保溫10 h燒結(jié)制備的CaCu3(1+x)Ti4O(12+3x)(x=0，1%，2%，3%，4%，5%)陶瓷的介電損耗與頻率(100～1 000 Hz)的關(guān)系圖。從圖3可以看出，在頻率為100～1 000 Hz時(shí)， CCTO陶瓷的介電損耗呈現(xiàn)緩慢減小趨勢。除了富含1%和4%CuO的CCTO陶瓷的介電損耗高于純CCTO陶瓷的，其它富含CuO的CCTO陶瓷的介電損耗均低于純CCTO陶瓷的，且介電損耗的減小趨勢也比純的緩慢，富含5%CuO的CCTO陶瓷的介電損耗最低?？梢?，晶粒的均勻性有利于降低陶瓷介電損耗，而晶粒的異常長大會增大陶瓷的介電損耗，富含CuO有利于提高CCTO陶瓷介電性能的穩(wěn)定性。

(a)

(b)

圖4為頻率在4 000～100 000 Hz時(shí)，1 075 ℃保溫1 0h燒結(jié)制備的CaCu3(1+x)Ti4O(12+3x)(x=0,1%,2%,3%,4%,5%)陶瓷的介電性能與頻率的關(guān)系圖。從圖4(a)可以看出，在頻率為4 000～100 000 Hz時(shí)， CCTO陶瓷的相對介電常數(shù)呈現(xiàn)緩慢減小趨勢，介電常數(shù)均高于2.0×104。其中，純CCTO陶瓷的相對介電常數(shù)最高，隨著富含CuO含量的增加，CCTO陶瓷的相對介電常數(shù)均有所降低，但是介電常數(shù)隨頻率增加而減小的趨勢都變緩。CCTO陶瓷的介電損耗均呈現(xiàn)增加的趨勢，頻率為4～20 kHz時(shí)，富含5%CuO的CCTO陶瓷的介電損耗最低，頻率高于25 kHz時(shí)，含有多余4%CuO的介電損耗最低。從圖4(b)中還可以看出，富含CuO的CCTO陶瓷的介電損耗隨頻率增加而增加的趨勢也逐漸減緩，可見富含CuO可以提高CCTO陶瓷的介電性能。

3結(jié)論

筆者采用共固相反應(yīng)法制備了不同含量的CuO的CaCu3(1+x)Ti4O(12+3x)陶瓷(x=0，1%，2%，3%，4%，5%)，并觀察比較了不同含量的CuO的CCTO陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和介電性，得出如下結(jié)論：

1)富含CuO可以促進(jìn)CCTO陶瓷晶粒的長大和均勻性，富含5% CuO的CCTO陶瓷的致密性和晶粒的均勻性最好。

2)富含CuO有利于提高CCTO陶瓷的介電性能的穩(wěn)定性，且介電性能的穩(wěn)定性跟陶瓷晶粒的均勻性有著一定的關(guān)系。當(dāng)頻率為100～1 000 Hz時(shí)，富含5% CuO的CCTO陶瓷的介電性能最優(yōu)；當(dāng)頻率為20～100 000 Hz時(shí)，富含2% CuO的CCTO陶瓷的介電性能最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

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11Mohamad M,Ahmad.Giant dielectric constant in CaCu3Ti4O12nanoceramics[J].Applied Physics Letters,2013,102,232908

項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：SLGKY14-23)。

Microstructure and Dielectric Properties of Rich CuO - CaCu3Ti4O12Ceramics

Wang Yumei(School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Technology,Shaanxi,Hanzhong,723003)

Abstract:CaCu3Ti4O12ceramics has giant dielectric.Therefore it is expected to make the capacitor, memory and other electronic device further development towards high performance and size miniaturization. This paper studies the influence of r ich CuO on microstructure and dielectric properties of CaCu3Ti4O12ceramics. The result indicate that rich CuO improve grain growth and uniformity of CaCu3Ti4O12ceramic, rich CuO can improve the stability of CaCu3Ti4O12ceramics' dielectric properties. And the stability of CaCu3Ti4O12ceramics' dielectric properties have relation to the uniformity of ceramic grain.

Key words:CaCu3Ti4O12；CuO；Microstructure; Dielectric properties

作者簡介：*王玉梅(1975-)，碩士；主要從事新材料及其制備技術(shù)的研究。

中圖分類號：O469

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-2872(2015)05-0013-04