[[alternative]]The study of the BaTiO3-Bi1/2NA1/2TiO3 based dielectric ceramics

Abstract

碩士[[abstract]]本論文主要以BaTiO3-Bi1/2Na1/2TiO3(BBNT)系統，進行低介電溫度變化材料的研究。在實驗中，先歸納出BBNT材料的基本性質及MgO與Y2O3共同添加的影響：BBNT材料的燒結溫度會隨著BNT在材料中所佔比例的增加有下降的趨勢。其介電常數也會下降，居禮溫度會往高溫區移動。MgO添加會造成居禮溫度往低溫移動的效果，Y2O3的添加會造成試片的致密性降低，燒結所需溫度提高。之後，我們改採用奈米尺寸鈦酸鋇粉末(nano BaTiO3)，添加燒結助劑Ba0.6Ca0.4SiO3(BCSO)，並以微波燒結(microwave sintering)。試片成分為(BaTiO3)0.925-(Bi1/2Na1/2TiO3)0.075 + MgO 2 mol% + Y2O3 1～1.5 mol% + BCSO 3 mol%，在1050℃，1～2小時的微波燒結下。可以得到小晶粒尺寸(約0.5μm)的微觀結構及平坦的介電隨溫度變化曲線。[[abstract]]In this thesis, we study the less temperature-dependence dielectric constant material by BaTiO3-Bi1/2Na1/2TiO3(BBNT) system. And conclude the basic properties of BBNT material and the inference of MgO and Y2O3: the sintering temperature of BBNT declines while the proportion of BNT increases. The dielectric constant of BBNT also decreases and its Curie peak shifts toward higher temperature. The effect of MgO shifts Curie peak toward lower temperature area. The effect of Y2O3 not only decreases the density of the bulk, but raises its sintering temperature requirement. Then we uses nano-size BaTiO3 powder. By adding sintering accelerant Ba0.6Ca0.4SiO3(BCSO) and applies microwave sintering, the content of the bulk consists of (BaTiO3)0.925-(Bi1/2Na1/2TiO3)0.075 + MgO 2 mol% + Y2O3 1~1.5 mol% + BCSO 3mol%. At 1050, and ℃microwave sintering for 1-2 hours, we get smaller grain size microstructure (about 0.5μm) and flatter curve of temperature-dependence dielectric constant.[[tableofcontents]]目錄....................................................Ⅰ 表目錄........................................Ⅳ 圖目錄..............................Ⅴ 第一章 序論..............................1 1.1 前言.......................................1 1.2 文獻回顧..............................2 1.2.1 鐵電性材料.......................2 1.2.2 低介電溫度變化之介電材料......................3 1.2.2.1 電容器定義及特性規範訂定..........................3 1.2.2.2 X7R與X8R規範低介電溫度變化介電材料...............4 1.3 Bi0.5Na0.5Tio3材料.............................6 1.4 研究動機及論文架構..............................6 第二章 實驗步驟......................21 2.1 試片製作.............................21 2.1.1 配粉..................................21 2.1.2 濕球磨..............................21 2.1.3 烘乾..................................22 2.1.4 過篩..................................22 2.1.5 煆燒..................................22 2.1.6 模壓成型.........................23 2.1.7 燒結..................................23 2.2 試片分析............................23 2.2.1 介電電性量測.................23 2.2.2 SEM微觀結構分析.......24 2.2.3 X-ray繞射分析及密度分析............................24 第三章 BaTiO3-Bi0.5Na0.5TiO3(BBNT)介電材料基本性質及MgO與Y2O3共同添加的影響.................26 3.1 BBNT材料基本特性.........26 3.1.1 實驗結果及分析.............26 3.2 MgO與Y2O3共同添加對BBNT材料的影響....................28 3.2.1 實驗結果及分析.............28 3.3 BBNT(nano BaTiO3-Bi0.5Na0.5TiO3 )添加MgO與Y2O3.......32 3.3.1 實驗結果及分析.............33 3.4 BBNT添加MgO、Y2O3與BCSO(Ba0.6Ca0.4SiO3).............35 3.4.1 實驗結果及分析.............35 3.5 微波燒結............................37 3.5.1 實驗結果及分析.............37 第四章 總結............................101 4.1 實驗總結..........................101 4.2 未來展望..........................102 參考文獻....................................106 表目錄 表1-1 ClassⅡ電容命名表 8 表2-1 試片製作使用之金屬氧化物粉末純度表 25 表3-1 BBNT系列試片起始成分配置表 40 表3-2 BBNT試片燒結條件與密度對照表 41 表3-3 BBNT075+MgO+Y2O3系列試片起始成分配置表 42 表3-4 BBNT075+MgO+Y2O3系列試片燒結條件與密度對照表 43 表3-5 BBNT075(nano BT+BNT)+MgO+Y2O3系列試片 起始成分配置表 44 表3-6 BBNT075(nano BT+BNT)+MgO+Y2O3系列試片燒結條件與密度對照表 45 表3-7 BBNT075+MgO+Y2O3+BCSO系列試片起始成分配置表 46 表3-8 BNT075+MgO+Y2O3+BCSO系列試片燒結條件與密度對照表 47 表3-9 MW系列試片燒結條件與密度對照表 48 圖目錄 圖1-1 鈣鈦礦結構在居禮溫度下離子相對位移示意圖 9 圖1-2 金屬平行導電板之電容示意圖 10 圖1-3 核-殼結構示意圖 11 圖1-4 Y2O3 添加對BaTiO3-Y2O3 系統 TCC(%)曲線圖 12 圖1-5 Y2O3 添加對BaTiO3-Y2O3 系統在還原氣氛下燒結密度關係圖 13 圖1-6 Y2O3 添加對BaTiO3-Y2O3 系統介電常數隨溫度變化圖 14 圖1-7 BaTiO3系統添加1.0 mol% Ni、0-4 mol% Nb之介電常數隨溫度變化圖 15 圖1-8 BaTiO3系統添加1.0 mol% Ni、0-4 mol% Nb之TCC(%)曲線圖 15 圖1-9稀土族元素添加於BaTiO3材料之TCC(%)曲線圖 16 圖1-10 Yb2O3添加於BaTiO3材料之TCC(%)曲線圖 17 圖1-11 Er2O3添加BaTiO3材料之TCC(%)曲線圖 18 圖1-12 Ho2O3添加BaTiO3材料之TCC(%)曲線圖 18 圖1-13 鈣鈦礦結構示意圖 19 圖1-14 BNT-BT-BKT三元相圖 20 圖3-1 BaTiO3-Bi0.5Na0.5TiO3(BBNT)材料性質實驗流程圖 49 圖3-2 BBNT系列粉末煆燒後XRD成相分析圖 50 圖3-3 BBNT系列試片燒結後XRD成相分析圖 51 圖3-4 C軸/A軸值隨BNT添加量變化關係圖 52 圖3-5 BBNT系列試片介電常數隨溫度變化圖 53 圖3-6 居禮溫度隨BNT添加量變化關係圖 54 圖3-7 BBNT01試片SEM微觀結構造圖 55 圖3-8 BBNT03試片SEM微觀結構造圖 55 圖3-9 BBNT05試片SEM微觀結構造圖 56 圖3-10 BBNT10試片SEM微觀結構造圖 56 圖3-11 晶粒大小隨BNT添加量變化關係圖 57 圖3-12 BBNT075+MgO+Y2O3實驗流程圖 58 圖3-13 BBNT075+MgO+Y2O3系列粉末煆燒後XRD成相分析圖 (MgO 2mol%，950℃) 59 圖3-14 BBNT075+MgO+Y2O3系列粉末煆燒後XRD成相分析圖 (MgO 2mol%，975℃) 60 圖3-15 BBNT075+MgO+Y2O3系列粉末煆燒後XRD成相分析圖(MgO:1mol%，1000℃) 61 圖3-16 BBNT075+MgO+Y2O3系列粉末煆燒後XRD成相分析圖(MgO:3mol%，1000℃) 62 圖3-17 BBNT075+MgO+Y2O3系列試片燒結後XRD成相分析圖 63 圖3-18 C軸/A軸值隨MgO添加量變化關係圖 64 圖3-19 BBNT075+MgO+Y2O3系列試片介電常數隨溫度變化圖 (Y2O3添加量為0.5 mol%) 65 圖3-20 BBNT075+MgO+Y2O3系列試片介電常數隨溫度變化圖 (Y2O3添加量為1.0 mol%) 65 圖3-21 BBNT075+MgO+Y2O3系列試片介電常數隨溫度變化圖(MgO=1 mol%) 66 圖3-22 BBNT075+MgO+Y2O3系列試片介電常數隨溫度變化圖(MgO=2 mol%) 66 圖3-23 BBNT075+MgO+Y2O3系列試片介電常數隨溫度變化圖(MgO=3 mol%) 66 圖3-24 BBNT075試片SEM微觀結構造圖(5000倍) 67 圖3-25 BBNT075試片SEM微觀結構造圖(10000倍) 67 圖3-26 M1Y05試片SEM微觀結構造圖 68 圖3-27 M1Y10試片SEM微觀結構造圖 68 圖3-28 M2Y05試片SEM微觀結構造圖 69 圖3-29 M2Y10試片SEM微觀結構造圖 69 圖3-30 M3Y05試片SEM微觀結構造圖 70 圖3-31 M3Y10試片SEM微觀結構造圖 70 圖3-32 晶粒大小隨MgO添加量變化關係圖 71 圖3-33 BBNT075(nano BT+BNT)實驗流程圖 72 圖3-34 BBNT075(nano BT+BNT)+MgO+Y2O3實驗流程圖 73 圖3-35 BNT粉末製作實驗流程圖 74 圖3-36 BNT粉末煆燒後成像分析圖 75 圖3-37 BBNT075-2S及nano BT+MgO+Y2O3粉末煆燒後XRD分析圖 76 圖3-38 BBNT075-2S及M2Y10~20-2S系列試片燒結後XRD分析圖 77 圖3-39 BBNT075(nano BT)+MgO+Y2O3系列試片介電常數隨溫度變化圖 78 圖3-40 BBNT075-2S試片SEM微觀結構造圖 79 圖3-41 M2Y10-2S試片SEM微觀結構造圖(1000倍) 80 圖3-42 M2Y10-2S試片SEM微觀結構造圖(5000倍) 80 圖3-43 M2Y15-2S試片SEM微觀結構造圖(1000倍) 81 圖3-44 M2Y15-2S試片SEM微觀結構造圖(5000倍) 81 圖3-45 M2Y20-2S試片SEM微觀結構造圖(1000倍) 82 圖3-46 M2Y20-2S試片SEM微觀結構造圖(5000倍) 82 圖3-47 BBNT075(nano BT+BNT)+MgO+Y2O3+BCSO實驗流程圖 83 圖3-48 BCSO粉末製作實驗流程圖 84 圖3-49 BNT075+MgO+Y2O3+BCSO系列粉末 煆燒後XRD分析圖 85 圖3-50 BNT075+MgO+Y2O3+BCSO系列試片 燒結後XRD分析圖 86 圖3-51 BNT075+MgO+Y2O3+BCSO系列試片介電常數隨溫度變化圖(Y2O3=1 mol%) 87 圖3-52 BNT075+MgO+Y2O3+BCSO系列試片介電常數隨溫度變化圖(Y2O3=1.5 mol%) 87 圖3-53 BNT075+MgO+Y2O3+BCSO系列試片介電常數隨溫度變化圖(Y2O3=2 mol%) 87 圖3-54 10-BC試片SEM微觀結構造圖(1100℃，2小時) 88 圖3-55 10-BC試片SEM微觀結構造圖(1050℃，2小時) 88 圖3-56 10-BC試片SEM微觀結構造圖(1200℃，2小時) 88 圖3-57 15-BC試片SEM微觀結構造圖(1100℃，2小時) 89 圖3-58 15-BC試片SEM微觀結構造圖(1050℃，2小時) 89 圖3-59 15-BC試片SEM微觀結構造圖(1200℃，2小時) 89 圖3-60 20-BC試片SEM微觀結構造圖(1100℃，2小時) 90 圖3-61 20-BC試片SEM微觀結構造圖(1050℃，2小時) 90 圖3-62 20-BC試片SEM微觀結構造圖(1100℃，2小時) 90 圖3-63 BC系列試片的晶粒大小隨燒結溫度變化圖 91 圖3-64 MW系列試片燒結後XRD分析圖 92 圖3-65 MW系列試片介電常數隨溫度變化圖(1050℃) 93 圖3-66 MW系列試片介電常數隨溫度變化圖(1100℃) 93 圖3-67 10-MW試片SEM微觀結構造圖 (1050℃，2小時)(3000倍) 94 圖3-68 10-MW試片SEM微觀結構造圖 (1050℃，2小時)(10000倍) 94 圖3-69 10-MW試片SEM微觀結構造圖 (1100℃，1小時)(3000倍) 95 圖3-70 10-MW試片SEM微觀結構造圖 (1100℃，1小時)(10000倍) 95 圖3-71 15-MW試片SEM微觀結構造圖 (1050℃，1小時)(3000倍) 96 圖3-72 15-MW試片SEM微觀結構造圖 (1050℃，1小時)(10000倍) 96 圖3-73 15-MW試片SEM微觀結構造圖 (1050℃，2小時)(3000倍) 97 圖3-74 15-MW試片SEM微觀結構造圖 (1050℃，2小時)(10000倍) 97 圖3-75 15-MW試片SEM微觀結構造圖 (1100℃，1小時)(3000倍) 98 圖3-76 15-MW試片SEM微觀結構造圖 (1100℃，1小時)(10000倍) 98 圖3-77 20-MW試片SEM微觀結構造圖 (1050℃，2小時)(3000倍) 99 圖3-78 20-MW試片SEM微觀結構造圖 (1050℃，2小時)(10000倍) 99 圖3-79 20-MW試片SEM微觀結構造圖 (1100℃，1小時)(3000倍) 100 圖3-80 20-MW試片SEM微觀結構造圖 (1100℃，1小時)(10000倍) 100 圖4-1 不同製程之BBNT材料介電常數隨溫度變化圖 104 圖4-2 不同製程之BBNT材料TCC(%)曲線圖 105[[note]]學號: 692180382, 學年度: 9