一種高溫電容器材料的性能分析

蔡文燁 劉珊珊

(佛山市玻爾陶瓷科技有限公司 廣東 佛山 528026)

前言

如今，大多數介電材料是由摻雜適當陽離子的BaTiO3材料制成。這些摻雜的陽離子能夠影響介電材料的相變溫度，同時能夠提高電容器的溫度穩定性、介電常數和使用壽命。然而，在該領域的許多研究人員認為開發基于BaTiO3的電容器已經走到了盡頭，其相關性能的提高也極其有限[1]。

隨著石油產量的日益減少，節能汽車的研發和推廣愈來愈受到各國政府的重視，而節省燃料的一種可能性方案是改進汽車動力管理系統并將一些電子器件與發動機殼體結合。然而，這種創新方案受阻于老一代多層陶瓷電容器的工作溫度上限。在發動機中，電容器需要在高達175 ℃的溫度下工作，而大多數電容器只能在-55～125 ℃的溫度范圍內工作[2]。因此，我們需要新型的耐高溫電容器材料，其要在高溫下具備穩定的介電常數。

鉭是一種重要的金屬，其有兩個非常重要的優點：一是具有相對較高的介電常數因此可以減小電容器的體積；二是其強氧化層可以確保其高穩定性[3]。 因此，基于堿鈮酸鹽/鉭酸鹽材料，即Na(Nb,Ta)O3受到重視。然而，它的燒結溫度太高綜合效益并不理想，因此，堿金屬的加入，除了優化溫度穩定性之外，還能降低制備溫度和生產成本。本文中我們利用傳統的高溫固相反應法，合成了一種鋰摻雜的Na2TaO3材料，并對其鐵電和介電性能進行了一系列的探索和研究。

1 實驗

1.1 樣品制備

本實驗采用固相反應法合成樣品。先按配方配比將Na2CO3、Ta2O5和Li2CO3等精確稱量，后投入研磨機中，以300 rpm的速度充分研磨，研磨完畢后，烘干24 h，以確保粉末完全干燥(不含任何液體)，然后放入管式爐中進行預燒結，燒結溫度為900～1 000 ℃。接著將獲得合適的單相鈣鈦礦結構的混合粉末于適當的壓制壓力、燒結溫度和燒結時間的條件下進行煅燒，得到最終樣品Li-NaTaO3。

1.2 樣品分析與性能測試

采用TREK(型號609E-6)鐵電測試儀來獲得極化與場磁滯回線。在鐵電測試之前，將樣品在兩個面上涂覆金漿，然后在800 ℃下反應2 h，以確保金漿與陶瓷面完全粘合。利用拉曼光譜儀來測量晶格中的旋轉、振動和其他低頻模式，光源是由氦-激光器產生的單色光，當激光投射到樣品表面上時，能夠導致返回信號的能量發生偏移，形成拉曼位移。阻抗(L)電容(C)電阻(R)儀用于測量陶瓷的介電性質，樣品以1 ℃/min速度加熱，后以10 ℃/min速度冷卻。

2 結果與討論

2.1 磁滯分析

圖1顯示了摻雜和未摻雜NaTaO3陶瓷在室溫下的典型極化電場(P-E)滯后環。

測試結果表明，沒有樣品顯示出鐵電體的典型飽和環，并且基本都顯示出典型的有損線性電介質。其中，未摻雜鋰的NaTaO3具有中心對稱的空間群Pnma，因此，鐵電性在這里是不存在的。而在鋰摻雜的樣品中沒有任何明顯的鐵電環路，這表明鋰的取代并沒有形成非中心對稱空間群，樣品仍然保持Pnma空間群而不是轉變為其相似空間群，Pna21沒有旋轉中心。

a-NaTaO3 b-5%Li-NaTaO3 c-10%Li-NaTaO3 d-15%Li-NaTaO3 e-20%Li-NaTaO3)

2.2 拉曼測試

拉曼光譜對于與相變相關的八面體傾斜非常敏感，這可能與顆粒尺寸的差異以及與TaO6八面體相關的內部模式的變化有關。

圖2反映了0%～20%鋰摻雜的NaTaO3在50～4 000 cm-1范圍內的拉曼光譜。

由圖2可以看出，雖然不同樣品在室溫下顯示出相似的拉曼光譜，但不同含量的鋰的摻入會導致不同的光譜強度。低于100 cm-1的區域是由于Na+反抗TaO6八面體的轉換模式形成的，而90～170 cm-1的區域被認為是自由模式[4]。150～1 700 cm-1范圍內的所有波段都與TaO6的內部振動模式有關。

圖2 摻雜鋰NaTaO3的拉曼光譜圖

2.3 LCR測試

LCR測試在10 kHz～1 MHz的頻率范圍內進行，從室溫～700 ℃下，測量介電常數和介電損耗。

圖3顯示的是摻雜鋰的NaTaO3的電容。

由圖3可以看出，當測試頻率升高時，電容增加。然而，當溫度升高時，在550 ℃之前，電容持續下降，550 ℃之后，電容再次上升。

如圖4所示，很明顯介電損耗隨著鋰含量的增加而增加。 在400 ℃之前曲線非常平滑，但在這之后，由于導電率的增加，介電損耗急劇上升。在W Cai等看來[5]，這可能導致在系統中產生空位，其可以在交變電場下極化，因此，介電損耗增加。同樣，在圖4中，NaTaO3陶瓷和Li摻雜的NaTaO3陶瓷的介電損耗隨著頻率的增加而降低。 此外，當測量頻率為10 kHz，250 kHz和1 MHz時，摻雜10%的鋰的NaTaO3陶瓷的介電損耗小于其他摻鋰NaTaO3陶瓷。這表明，少量的鋰含量可以令NaTaO3陶瓷在低頻時獲得更低的介電損耗。此外，當測量頻率高于10 kHz時，摻雜鋰的NaTaO3陶瓷的介電損耗小于純NaTaO3陶瓷的介電損耗。

a)頻率為10 kHz b)頻率為250 kHz c)頻率為1 MHz

a)頻率為10 kHz b)頻率為250 kHz c)頻率為1 MHz

3 結論

在一定反應條件下的NaTaO3陶瓷和摻雜鋰NaTaO3的陶瓷有如下相關的電性能：

1)無論是NaTaO3還是摻雜鋰NaTaO3的樣品，都顯示出典型極化電場(P-E)滯后環，但沒有證據表明鋰的摻入會引起鐵電效應，所有的磁滯曲線都具備有損線性電介質的特性。

2)在400 ℃以下，介電損耗很低，但400 ℃以上，由于導電率的上升，介電損耗急劇上升。

3)由于樣品具有鈣鈦礦結構，因此摻雜不僅存在于A位，也存在于接受Ti4+的B位。