一种高温电容器材料的性能分析

蔡文烨 刘珊珊

(佛山市玻尔陶瓷科技有限公司 广东 佛山 528026)

前言

如今，大多数介电材料是由掺杂适当阳离子的BaTiO3材料制成。这些掺杂的阳离子能够影响介电材料的相变温度，同时能够提高电容器的温度稳定性、介电常数和使用寿命。然而，在该领域的许多研究人员认为开发基于BaTiO3的电容器已经走到了尽头，其相关性能的提高也极其有限[1]。

随着石油产量的日益减少，节能汽车的研发和推广愈来愈受到各国政府的重视，而节省燃料的一种可能性方案是改进汽车动力管理系统并将一些电子器件与发动机壳体结合。然而，这种创新方案受阻于老一代多层陶瓷电容器的工作温度上限。在发动机中，电容器需要在高达175 ℃的温度下工作，而大多数电容器只能在-55～125 ℃的温度范围内工作[2]。因此，我们需要新型的耐高温电容器材料，其要在高温下具备稳定的介电常数。

钽是一种重要的金属，其有两个非常重要的优点：一是具有相对较高的介电常数因此可以减小电容器的体积；二是其强氧化层可以确保其高稳定性[3]。 因此，基于碱铌酸盐/钽酸盐材料，即Na(Nb,Ta)O3受到重视。然而，它的烧结温度太高综合效益并不理想，因此，碱金属的加入，除了优化温度稳定性之外，还能降低制备温度和生产成本。本文中我们利用传统的高温固相反应法，合成了一种锂掺杂的Na2TaO3材料，并对其铁电和介电性能进行了一系列的探索和研究。

1 实验

1.1 样品制备

本实验采用固相反应法合成样品。先按配方配比将Na2CO3、Ta2O5和Li2CO3等精确称量，后投入研磨机中，以300 rpm的速度充分研磨，研磨完毕后，烘干24 h，以确保粉末完全干燥(不含任何液体)，然后放入管式炉中进行预烧结，烧结温度为900～1 000 ℃。接着将获得合适的单相钙钛矿结构的混合粉末于适当的压制压力、烧结温度和烧结时间的条件下进行煅烧，得到最终样品Li-NaTaO3。

1.2 样品分析与性能测试

采用TREK(型号609E-6)铁电测试仪来获得极化与场磁滞回线。在铁电测试之前，将样品在两个面上涂覆金浆，然后在800 ℃下反应2 h，以确保金浆与陶瓷面完全粘合。利用拉曼光谱仪来测量晶格中的旋转、振动和其他低频模式，光源是由氦-激光器产生的单色光，当激光投射到样品表面上时，能够导致返回信号的能量发生偏移，形成拉曼位移。阻抗(L)电容(C)电阻(R)仪用于测量陶瓷的介电性质，样品以1 ℃/min速度加热，后以10 ℃/min速度冷却。

2 结果与讨论

2.1 磁滞分析

图1显示了掺杂和未掺杂NaTaO3陶瓷在室温下的典型极化电场(P-E)滞后环。

测试结果表明，没有样品显示出铁电体的典型饱和环，并且基本都显示出典型的有损线性电介质。其中，未掺杂锂的NaTaO3具有中心对称的空间群Pnma，因此，铁电性在这里是不存在的。而在锂掺杂的样品中没有任何明显的铁电环路，这表明锂的取代并没有形成非中心对称空间群，样品仍然保持Pnma空间群而不是转变为其相似空间群，Pna21没有旋转中心。

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

2.2 拉曼测试

拉曼光谱对于与相变相关的八面体倾斜非常敏感，这可能与颗粒尺寸的差异以及与TaO6八面体相关的内部模式的变化有关。

图2反映了0%～20%锂掺杂的NaTaO3在50～4 000 cm-1范围内的拉曼光谱。

由图2可以看出，虽然不同样品在室温下显示出相似的拉曼光谱，但不同含量的锂的掺入会导致不同的光谱强度。低于100 cm-1的区域是由于Na+反抗TaO6八面体的转换模式形成的，而90～170 cm-1的区域被认为是自由模式[4]。150～1 700 cm-1范围内的所有波段都与TaO6的内部振动模式有关。

图2 掺杂锂NaTaO3的拉曼光谱图

2.3 LCR测试

LCR测试在10 kHz～1 MHz的频率范围内进行，从室温～700 ℃下，测量介电常数和介电损耗。

图3显示的是掺杂锂的NaTaO3的电容。

由图3可以看出，当测试频率升高时，电容增加。然而，当温度升高时，在550 ℃之前，电容持续下降，550 ℃之后，电容再次上升。

如图4所示，很明显介电损耗随着锂含量的增加而增加。 在400 ℃之前曲线非常平滑，但在这之后，由于导电率的增加，介电损耗急剧上升。在W Cai等看来[5]，这可能导致在系统中产生空位，其可以在交变电场下极化，因此，介电损耗增加。同样，在图4中，NaTaO3陶瓷和Li掺杂的NaTaO3陶瓷的介电损耗随着频率的增加而降低。 此外，当测量频率为10 kHz，250 kHz和1 MHz时，掺杂10%的锂的NaTaO3陶瓷的介电损耗小于其他掺锂NaTaO3陶瓷。这表明，少量的锂含量可以令NaTaO3陶瓷在低频时获得更低的介电损耗。此外，当测量频率高于10 kHz时，掺杂锂的NaTaO3陶瓷的介电损耗小于纯NaTaO3陶瓷的介电损耗。

a)频率为10 kHz b)频率为250 kHz c)频率为1 MHz

a)频率为10 kHz b)频率为250 kHz c)频率为1 MHz

3 结论

在一定反应条件下的NaTaO3陶瓷和掺杂锂NaTaO3的陶瓷有如下相关的电性能：

1)无论是NaTaO3还是掺杂锂NaTaO3的样品，都显示出典型极化电场(P-E)滞后环，但没有证据表明锂的掺入会引起铁电效应，所有的磁滞曲线都具备有损线性电介质的特性。

2)在400 ℃以下，介电损耗很低，但400 ℃以上，由于导电率的上升，介电损耗急剧上升。

3)由于样品具有钙钛矿结构，因此掺杂不仅存在于A位，也存在于接受Ti4+的B位。