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CCTO作为一种无铅的非铁电钙钛矿型介电材料,在电子设备等方面的应用十分广泛。近年来,为了进一步改善其介电性能,人们对其制造工艺和性能表征进行了大量的研究工作。关于CCTO巨介电常数的形成机制,一种理论认为可以利用其内部势垒层电容器模型进行解释。同时研究发现,其介电性能的变化对其微观结构十分敏感,而其微观结构的形成主要受其制备条件的影响。因此,研究其制备条件-介电性能-微观结构这三者之间的关系就显得十分重要。目前这方面的研究主要集中在研究不同的表面涂覆工艺、放电等离子烧结工艺、冷压及烧结工艺等制备方法与介电性能之间的关系上。 本文的实验设计思路为:首先,利用溶胶-凝胶法合成CCTO粉末,之后利用放电等离子烧结(SPS)技术来缩短烧结时间,然后选择不同的冷压技术和烧结时间,从而得到不同的CCTO陶瓷,并且保证其表面的致密性。之后利用一个简单的工艺,只需要较短的烧结时间和较低的烧结温度即可以将得到的CCTO制备成复合陶瓷。实验结果表明:CCTO复合陶瓷的晶粒尺寸和致密度随着烧结时间的增加而增加。但是烧结时间为4小时的样品和利用SPS技术制备的样品,其变化和其它样品相比要大的多,这表明这种变化是非线性的。在550℃烧结30分钟后,再在1000℃烧结6小时所获得的CCTO复合陶瓷样品的介电常数最大,介电损耗最小;烧结时间为8小时的样品在低频范围内介电损耗最小。在低频时,与烧结温度1100℃和1130℃,烧结时间为15小时和20小时的样品相比,在1000℃烧结15小时的样品的介电损耗最小;在高频和中频范围内,烧结温度1100℃,烧结时间为15小时的样品的介电损耗最小,烧结温度1130℃、烧结时间20小时的样品的介电常数最大。这些结果和IBLC理论预测的结果十分符合。另外,在不同测试频率下,介电常数和介电损耗没有太大的变化。在烧结时间较短的样品中,我们发现存在有CuO第二相,并且在高温和长时间烧结条件下不能完全将第二相消除。同时发现,提高致密度对提高介电常数作用不大,但对降低介电损耗有很大的作用。 为了能在保持CCTO高介电性能的同时降低其介电损耗,本文设计和制备了不同成分的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/CCTO(PZT/CCTO),PbTiO3/CCTO(PT/CCTO),和Al2O3/CCTO复合陶瓷。我们利用溶胶-凝胶方法,在CCTO陶瓷片表面上涂覆了PZT,PT及Al2O3。 实验结果表明:这三种复合陶瓷分别由CCTO,PZT,PT及Al2O3相组成,符合设计的成分;但同时存在一些分解产物,如CaTiO3,CuO,TiO2及TixOy等。另外,实验中还发现界面涂层PZT和PT对复合陶瓷的晶粒尺寸和形状具有很大的影响。随着PT含量增加和烧结温度的提高,CCTO以及PZT/CCTO复合材料的晶粒形状逐渐从等轴型晶粒向类立方型晶粒转变。阻抗频谱测试的结果表明PZT含量20％的PZT/CCTO复合陶瓷具有最高的介电常数和最低的介电损耗。 随后,我们尝试在相同的烧结温度下,选择不同的烧结时间和冷压条件制备复合陶瓷以获得更小的晶粒尺寸和更高的相对密度。实验结果显示该陶瓷由PZT和CCTO两相组成,其中PZT相主要存在于晶界处。当使用这种简单技术制备的PZT/CCTO复合陶瓷的密度较高时,在实际应用中不仅可以很大程度的减少这些巨介电材料的散热损耗,而且在较大的频率范围内可以大幅提高其介电常数。这些结果证实,介电损耗的改善和介电常数的提高主要来自于复合陶瓷PZT/CCTO密度的提高,且该密度的提高是由于在制备过程中使用了合适的冷压条件及中间的低温烧结时间,从而使获得晶粒尺寸较小,并且形成了足够的晶界。 实验结果显示,PT含量10%的PT/CCTO复合陶瓷具有最高的介电常数和最低的介电损耗。PT含量为30%和50%的PT/CCTO复合陶瓷在高频范围内的两个频率具有非常低的介电损耗。其中PT含量分别为10%和20%的样品中,PT相主要存在于CCTO颗粒的表面。分析实验结果可以发现,将PT加入到CCTO中后,尽管密度增加、粒径减小,但由于形成了更紧密的界面,从而在大幅降低介电损耗的同时大大提高了介电常数。介电损耗和介电常数在较大的频率范围内改善的主要原因是由于PT/CCTO复合陶瓷的密度的提升,且该密度的提升与制备过程中添加较低含量的PT,选择合适的冷压及烧结时间,从而获得较小的晶粒尺寸和足够的晶界有关。EDS能谱分析显示,PZT和PT对CCTO晶体中的Cu位有取代作用。 Al2O3/CCTO陶瓷的制备方法为:利用溶胶-凝胶法制备CCTO和氧化铝粉末,采用冷压成型,之后烧结得到复合陶瓷。与纯CCTO相比,尽管这种陶瓷里氧化铝的含量较低,且密度相对较小,但氧化铝相大部分存在颗粒的表面上。此外,氧化铝能够增加CCTO陶瓷的介电常数,并且在某些区域能够降低介电损失。这种反应烧结合成方法与传统合成方法相比,能够使更多的氧化铝掺入到CCTO晶格中。因此,利用溶胶-凝胶法在CCTO中溶解氧化铝可以作为提高CCTO介电性能的一种新途径。结果表明,当溶解的氧化铝的含量为10%和20%时,其对陶瓷晶粒大小的影响较大。氧化铝的含量为6%时,复合陶瓷的介电损耗最低,氧化铝的含量为10%时,复合陶瓷的介电常数最大。对于Al2O3/CCTO陶瓷,氧化铝的含量增大到20%时,开始出现CuO第二相,CuO第二相的出现有助于降低介电损耗,但同时会造成介电常数降低。结果分析表明,将氧化铝添加到CCTO陶瓷中,可以显著提高介电常数,并且降低低频范围内的介电损耗,这主要是由于氧化铝添加到CCTO陶瓷中后,造成了晶粒和晶界处电阻率的下降。 研究表明,界面涂层法可以同时改善介电常数和介电损耗。将Al2O3溶解在CCTO中也是利用类似的方法改善其介电性能。对Al2O3/CCTO的性能和结构的测量和表征的结果清楚地表明,介电性能的变化、第二相的出现和微观组织结构的变化,均与Al2O3/CCTO复合陶瓷的加工参数有密切的关系。EDS能频谱分析的结果表明,有少量的PZT和PT取代了CCTO中Cu位,同时有部分Al2O3取代了Ti位。