CaCu3Ti4O12陶瓷介电性能的研究
CaCu3Ti4O12陶瓷介电性能的研究
CaCu3Ti4O12陶瓷介电性能的研究
引言
CaCu3Ti4O12（简称CCTO）是一种重要的多功能陶瓷材料，具
有优异的介电性能。随着其在电子工业、磁性材料和储能器件等领域的广泛应用，对其介电性能的研究变得尤为重要。本文旨在系统地探讨CCTO陶瓷的介电性能、制备方法以及影响因素。
一、CCTO陶瓷的介电性能
CCTO陶瓷具有极高的介电常数，通常在10^4至10^5之间。
这主要归因于CCTO中多个金属氧化物所引起的极化效应以及
其特殊的晶体结构。除了高介电常数外，CCTO还具有低损耗
和温度稳定性高的特点，这使得它成为理想的介电材料。
二、CCTO陶瓷的制备方法
目前，常用的制备CCTO陶瓷的方法主要有固相法、溶胶-凝胶法和水热法等。其中，固相法是最常见的方法之一。制备CCTO陶瓷的关键是合成高纯度的Ca、Cu、Ti原料，采用适当
的配方和煅烧工艺进行反应。溶胶-凝胶法和水热法相对较新，利用溶胶-凝胶方法可以得到具有优异性能的纳米CCTO陶瓷。
三、影响CCTO陶瓷介电性能的因素
1. 元素配比：CCTO陶瓷的介电性能受到元素配比的影响。不
同比例的Ca、Cu、Ti元素会导致晶体结构和晶格常数的变化，进而影响其介电性能。
2. 烧结工艺：烧结温度和时间等热处理参数也会对CCTO陶瓷的介电性能产生重要影响。合适的烧结工艺能够提高CCTO陶
瓷的致密度和晶体结构的完整性，从而改善其介电性能。
3. 杂质控制：CCTO陶瓷的性能会受到杂质元素的影响。一些
常见的杂质元素，例如Fe、Mn等，会影响CCTO陶瓷的晶体结构和电子迁移率，从而降低其介电性能。
4. 粒径控制：CCTO陶瓷的颗粒粒径也会影响其介电性能。较
小的颗粒有助于提高陶瓷的致密度和晶体结构的完整性，从而提高其介电性能。
结论
CCTO陶瓷作为一种高性能介电材料，在电子工业和储能器件
领域具有广泛应用前景。制备高性能CCTO陶瓷的关键是合适
的制备方法和优化的工艺参数。此外，元素配比、烧结工艺、杂质控制和粒径控制等因素也会对其介电性能产生重要的影响。未来研究应更加关注CCTO陶瓷的制备方法优化以及介电性能
的提升，以进一步推动其在新能源和电子器件领域的应用
综上所述，CCTO陶瓷的介电性能受到元素配比、烧结工艺、杂质控制和粒径控制等因素的影响。合适的元素配比和烧结工艺能够提高陶瓷的致密度和晶体结构完整性，从而改善其介电性能。杂质元素的存在会降低CCTO陶瓷的介电性能，因
此对杂质的控制和去除是提高陶瓷性能的关键。此外，控制陶瓷的颗粒粒径也能提高其介电性能。因此，今后的研究应重点关注CCTO陶瓷制备方法的优化和介电性能的提升，以推动其
在新能源和电子器件领域的应用
CCTO
目录 一、绪论 (2) （一）原理 (3) （二）Sol-Gel法制备工艺 (4) 二、实验内容 (7) （一）溶胶和凝胶制备 (8) （二）干凝胶热重-差热曲线 (9) （三）粉末预烧和陶瓷烧结 (10) 三、总结 (12) 四、致谢 ........................................................................................ 错误！未定义书签。参考文献 ........................................................................................ 错误！未定义书签。
一、绪论 溶胶-凝胶法是近些年发展起来的制备纳米粒子的一种新工艺。它将金属有机化合物如醇盐等溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水等使其水解、聚合，形成溶胶，再采取适当的方法使之形成凝胶，并在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再作高温锻烧处理，即可制得纳米级氧化物粉末，凝胶的结构和性质在很大程度上取决于其后的干燥致密过程，并最终决定材料的性能。各种化学添加剂往往被引入到溶胶凝胶反应过程中，用以改变水解、缩聚反应速度。该法所制各的粉体粒径小、粒度分布窄，化学活性好，但成本高，高温处理时也存在快速团聚现象。晶粒大小随温度和时间的增加而增大。与共沉淀方法相比，该法合成的纳米粉体仅在烧结时才出现团聚，且在不高的温度晶化完全，相态单一，是一种较好的制备纳米微晶的方法。 溶胶-凝胶法从根本上来说，主要有以下几种类型：(1)传统胶体型。通过控制溶液中金属离子的沉淀过程，使形成的颗粒不团聚成大颗粒而沉淀，得到稳定均匀的溶胶；再经过蒸发溶剂得到凝胶。(2)无机聚合物型。通过可溶性聚合物在水中或有机相中的溶胶凝胶过程，使金属离子均匀的分散到其凝胶中。常用的聚合物有聚乙烯醇，硬脂酸等。(3)络合物型。通过络合剂将金属离子形成络合物，再经过溶胶凝胶过程形成络合物凝胶。 本法的优点在于：可以制备纳米级材料；能严格实现化学计量比，易实现工艺简单，反应周期短，产物粒径小，分布均匀，分散性好。
CCTO烧结工艺对晶粒尺寸的影响
实验二CaCu3Ti4O12烧结工艺对晶粒尺寸的影响 一、实验目的 1．了解CaCu3Ti4O12（CCTO）显微结构的观察方法； 2．掌握烧结温度和保温时间对陶瓷结构和晶粒尺寸的影响； 3．了解CaCu3Ti4O12微观结构对介电性能的影响。 二、实验原理 现代用于压电及介电的功能陶瓷材料大多数是使用高温烧结工艺来合成。其主要的工艺流程分为配料、球磨、合成、添加粘结剂、压片、预烧及烧结等步骤。预烧(预合成)与烧结(烧结成瓷)是电子陶瓷的两个主要生产过程。一般情况下，预合成温度比烧成温度略低。粉料的预合成不能达到烧结，预合成的中间产物是熔块、瓷粉等。电子陶瓷的烧成对粉料能否成瓷起着关键作用。经过烧结工艺后，原来处于疏松状态的物质，转而进入致密状态成为陶瓷。 陶瓷的致密化就是要获得致密烧结的陶瓷，这就需要较彻底的排除气孔，其关键就在于烧结过程中不让气孔陷入晶粒之内。而避免气泡的陷入、获得致密陶瓷的主要影响因素则包括有烧结温度、升温速率、烧结气氛等。本实验主要研究的是CCTO的烧结工艺，并讨论了烧结致密化对其微观形貌及晶粒尺寸的影响。 X射线衍射分析(X-Ray Diffraction，XRD)的方法可以用来检测样品的晶体结构。不同的物相具有不同的晶体结构，对应于不同的θ~2θ模式扫描图谱。 微观结构分析：陶瓷的微观结构一般采用的是扫描电子显微镜分析(Scanning Electron Microseopy，SEM)的方法。其观察所得的像根据成像电子不同包括有背散射电子像、二次电子像以及吸收电子像。背散射电子是由样品反射出来的初次电子，背散射电子信号中包含了试样表面形貌和原子序数信息，像的衬度既有形貌衬度也有原子序数衬度，因此背散射电子像可用于研究样品的表面形貌和成分分布；二次电子是单电子激发过程中被入射电子轰出的试样原子核外电子，二次电子像主要反映试样表面的形貌特征，像的衬度是形貌衬度，衬度形成主要决定于试样表面相对于入射电子束的倾角，由于二次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强，因此适用于粗糙表面及断口的形貌观察;吸收电子像与背散射电子像一样包含着成分和形貌两种信息，但它是吸收方式的像。 三、仪器和试剂 马弗炉、电子天平、XRD衍射仪、扫描电镜 四、实验步骤 1.其中的主要工艺包括：
CCTO
文献综述 一、研究背景 20世纪，固体电子学领域的一系列重大发现和发明，推动了信息电子产业的蓬勃发展，从而使人类社会开始了信息化的进程。可以预见，21 世纪上半叶，人类社会的信息化将会进入高潮期，并且走向信息社会的更高级阶段驱动信息技术不断发展的动力是器件的超高速，高密度和小型化。介电材料介电常数的大幅提高，可以适应电子设备对高速电路的要求，并对电子产品的小型化和功能的扩大，计算机、电信工业的迅速发展，产生深远的影响。介电常数高于1000的钙钛矿化合物大部分总是伴随着铁电和弛豫行为，从而使介电常数敏感于温度的变化，导致器件的稳定性降低在实际应用中有局限性。现在研究较多的介电性能随温度变化比较稳定的材料包括有晶界层电容器材料和基于渗流理论效应采用导电相与绝缘相 的复合材料。前者一般的制各工艺比较复杂，处理温度比较高。后者也需要采用2种以上材料进行复合，而且介电损耗会比较大。 最近文献报道了CaCu 3Ti 4 O 12 (简称ccro)具有反常的巨介电常数(104 —105)和极低的损耗(约0．03)，特别是在很宽的温区范围内(100—400 K)介电常数值几乎不变，反映了介电响应的高热稳定性．”。这些良好的综合性能，使其有可能成为在商密度能量存储、薄膜器件(如MEMS，GB．DRAM)、高介电电容器等一系列高新技术领域中获得广泛的应用。可是，该类材料最大的反常还在于冷却到100 K以下介电常数发生急剧下降，x射线衍射(XRD)、拉曼散射和中子衍射分析没有发现任何长程结构上的相变。以上这些特性至今也没有令人信服的解释。 目前，对于具有巨介电常数的CaCu 3Ti 4 O 12 的研究中，不同学者所报道 的实验介电常数还存在着数量级上的差别，在常温、IOKHz的频率条件下，
CaCu3Ti4O12陶瓷介电性能的研究
CaCu3Ti4O12陶瓷介电性能的研究 CaCu3Ti4O12陶瓷介电性能的研究 引言 CaCu3Ti4O12（简称CCTO）是一种重要的多功能陶瓷材料，具 有优异的介电性能。随着其在电子工业、磁性材料和储能器件等领域的广泛应用，对其介电性能的研究变得尤为重要。本文旨在系统地探讨CCTO陶瓷的介电性能、制备方法以及影响因素。 一、CCTO陶瓷的介电性能 CCTO陶瓷具有极高的介电常数，通常在10^4至10^5之间。 这主要归因于CCTO中多个金属氧化物所引起的极化效应以及 其特殊的晶体结构。除了高介电常数外，CCTO还具有低损耗 和温度稳定性高的特点，这使得它成为理想的介电材料。 二、CCTO陶瓷的制备方法 目前，常用的制备CCTO陶瓷的方法主要有固相法、溶胶-凝胶法和水热法等。其中，固相法是最常见的方法之一。制备CCTO陶瓷的关键是合成高纯度的Ca、Cu、Ti原料，采用适当 的配方和煅烧工艺进行反应。溶胶-凝胶法和水热法相对较新，利用溶胶-凝胶方法可以得到具有优异性能的纳米CCTO陶瓷。 三、影响CCTO陶瓷介电性能的因素 1. 元素配比：CCTO陶瓷的介电性能受到元素配比的影响。不 同比例的Ca、Cu、Ti元素会导致晶体结构和晶格常数的变化，进而影响其介电性能。 2. 烧结工艺：烧结温度和时间等热处理参数也会对CCTO陶瓷的介电性能产生重要影响。合适的烧结工艺能够提高CCTO陶 瓷的致密度和晶体结构的完整性，从而改善其介电性能。
3. 杂质控制：CCTO陶瓷的性能会受到杂质元素的影响。一些 常见的杂质元素，例如Fe、Mn等，会影响CCTO陶瓷的晶体结构和电子迁移率，从而降低其介电性能。 4. 粒径控制：CCTO陶瓷的颗粒粒径也会影响其介电性能。较 小的颗粒有助于提高陶瓷的致密度和晶体结构的完整性，从而提高其介电性能。 结论 CCTO陶瓷作为一种高性能介电材料，在电子工业和储能器件 领域具有广泛应用前景。制备高性能CCTO陶瓷的关键是合适 的制备方法和优化的工艺参数。此外，元素配比、烧结工艺、杂质控制和粒径控制等因素也会对其介电性能产生重要的影响。未来研究应更加关注CCTO陶瓷的制备方法优化以及介电性能 的提升，以进一步推动其在新能源和电子器件领域的应用 综上所述，CCTO陶瓷的介电性能受到元素配比、烧结工艺、杂质控制和粒径控制等因素的影响。合适的元素配比和烧结工艺能够提高陶瓷的致密度和晶体结构完整性，从而改善其介电性能。杂质元素的存在会降低CCTO陶瓷的介电性能，因 此对杂质的控制和去除是提高陶瓷性能的关键。此外，控制陶瓷的颗粒粒径也能提高其介电性能。因此，今后的研究应重点关注CCTO陶瓷制备方法的优化和介电性能的提升，以推动其 在新能源和电子器件领域的应用
PVDF基复合陶瓷材料介电性能研究
PVDF基复合陶瓷材料介电性能研究 伴随着人类科学技术的进步,人们开始高度关注高介电聚合物基陶瓷复合材料。传统功能型的陶瓷材料尽管具备高介电常数和耐腐蚀的优势,但是仍有损耗高、成型温度高、易碎裂、加工成本高昂等这些缺点,使传统陶瓷材料在电子行业的发展和应用中受到了极大的阻碍。而尽管聚合物介电常数较低,然而聚合物自身具有优异的物理机械功能,低介电损耗以及低成本等优势。 所以,聚合物基陶瓷复合材料作为当今信息功能材料在信息和微电子产业扮演了重要角色。最近研究表明,将高介电常数陶瓷与铁电聚合物PVDF复合,得到的PVDF基复合陶瓷材料有着广泛的应用前景。本文通过传统的固相反应法制备Na0.35%Ba99.65%Ti99.65%Nb0.35%O3(NNBT)、BaFe03-δ(BFO)、 CaCu3Ti4O12-15wt%Ag(CCTO/Ag15)三种介电常数不同的高介电常数的陶瓷材料,以PVDF为基体,将陶瓷颗粒作为填料制备复合材料。 复合材料由共混-热压法制备而成,研究了不同陶瓷材料对复合材料介电性能的影响,具体内容如下:(1)—种最新开发的无铅铁电环保型材料 Na0.35%Ba99.65%Ti99.65%Nb0.35%O3(NNBT)作为填料,采用聚偏氟乙烯(PVDF)合成陶瓷-聚合物复合材料。通过溶液混合和热压法制备具有不同体积分数的复合材料PVDF-xNNBT(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4和0.5)。在室温至250℃的温度范围和102至106Hz的频率范围内研究其介电性质,PVDF-xNNBT复合材料都显示出高介电常数(ε’>100)和低损耗角正切(tanδ<5%),其中PVDF-0.5NNBT表现出最佳的介电性能,室温下,频率为1 kHz,该复合材料介电常数为220,损耗角正切为0.037,并具有较好的频率和温度稳定性。 界面所引起的界面弛豫被认为是PVDF-xNNBT复合材料具有优异介电性能的
晶界层陶瓷电容器的界面与电学性能
实验四 晶界层陶瓷电容器的界面与电学性能 一、实验目的 1. 学习和了解陶瓷晶界层电容器的研究方法； 2. 学习以CaCu 3Ti 4O 12为例高温介电性能测试方法； 3. 掌握综合陶瓷的XRD 相分析、SEM 形貌表征，对CCTO 的介电性能的影响因素进行分析。 二、实验原理 陶瓷晶界层电容器(Boundary Layer Capacitor)，巧妙地利用了晶界的性质来提高自身的性能。制备工艺一般采用固相法球磨备料，二次烧成或在控制气氛下一次烧成。也可利用晶界偏析的办法来形成晶界层，无需涂覆绝缘膏浆和第二次烧成，仅需在空气中一次烧成。 TiO 2陶瓷BLC 具有以下优点：(1)有效ε高，为103量级，在现有陶瓷电容器中是最高的；(2)体系单纯；(3)工艺简便。特别有意义的是用晶界偏析法比二次烧成法更有利于制备比电容较大的独石晶界层电容器。 CaCu 3Ti 4O 12（CCTO ）具有非常高的介电常数(常温、kHz 频率下达104)、低的损耗和较高的热稳定性，是一种性能优异的高介电常数材料。 当陶瓷在高温下烧结时，其会偏析出TiO 2相，分布于陶瓷的境界处。这是因为陶瓷的境界处晶格发生一定的扭曲，离子空位比较多。把陶瓷电镜照片、XRD 图谱和陶瓷的介电性能结合起来分析，可以推断是TiO 2的偏析增加了境界处的绝缘能力，因此宏观上提高了陶瓷的介电常数。为什么在高温度下烧结的陶瓷中会存在TiO 2相？在相对低温比如1000℃下烧结的陶瓷的XRD 图谱中已经没有出现TiO 2峰了，当烧结温度升高到相对高的温度比如1100，这时就会出现TiO 2。这意味着或许在CCTO 中也存在这种现象，少量的Cu 位被Ti 所取代。在合成温度时，由于要满足电荷平衡，Cu 元素就会发生价态的改变，由Cu 2+变成Cu +，在冷却降温时Cu +又会被氧化成Cu 2+而放出一个电子给Ti 的3d 轨道。 124441223123)(O Ti Ti Cu Cu Ca x x x ++++-+?12 64)()(36434212O Ti Ti Ti Cu Ca x x x x + +++-+- x 的数量值可以解释观察到的半导电性。通常这么小的数量值是不能被XRD 数据说侦测到的。在高温下，Cu 2+转变成Cu +是很常见的。在空气气氛中CuO 转变成Cu 2O 的反应温度在1300K ，刚好在烧结陶瓷的温度范围之内。 三、仪器和试剂 阻抗分析仪、X 射线衍射仪、SEM 四、实验步骤 1. 将烧结好的陶瓷先用粗砂纸打磨lh 去掉边缘的毛刺，再用细砂纸打磨lh 以获得光滑的表面，放入装有无水乙醇的烧杯中，用超声波清洗机清洗15分钟，去掉表面的杂物，得到光滑干净的表面。最后在陶瓷表面涂上导电银胶，于180℃烘干lh ，得到陶瓷的电极，进行电性能测试。 2. 对不同温度下烧成的试样进行了常温性能测试，用万用电桥测量了电容量和介质损耗；用超高电阻仪测量了绝缘电阻。 3．在老师的指导下，分别使用XRD 、SEM 对CCTO 粉体进行物相表征，进行综合分析。
双钙钛矿
毕业论文（设计）论文（设计）题目：R2NiMnO6的水热合成研究 姓名 学号 院系 专业 年级 指导教师 2016年4月29日
目录 摘要 (1) ABSTRACT (2) 第1章前言 (3) 第2章国内外研究综述 (4) 2.1 双钙钛矿型氧化物的概述 (4) 2.1.1 双钙钛矿型氧化物的晶体结构 (4) 2.1.2 双钙钛矿型氧化物材料的性质 (6) 2.1.3 双钙钛矿型氧化物材料的应用前景 (8) 2.2 R2NiMnO6的制备方法 (9) 2.2.1 水热合成法 (9) 2.2.2 固相反应法 (9) 2.2.3 溶胶凝胶法 (9) 2.3 选题的研究背景及意义 (10) 第3章实验部分 (11) 3.1 实验仪器 (11) 3.2 实验试剂 (11) 3.3 R2NiMnO6的水热合成 (11) 3.4试样表征 (12) 3.4.1 XRD测试 (12) 3.4.2 SEM测试 (12) 第4章结果与讨论 (13) 4.1 水热合成条件的探究 (13) 4.2 XRD表征分析 (13)
4.3 试样的形貌分析 (14) 4.4 碱度对样品的影响 (15) 第5章结论与展望 (16) 5.1 结论 (16) 5.2 展望 (16) 参考文献 (17) 致谢 (19)
摘要 目前，科学家对双钙钛矿型氧化物的研究主要集中在La2NiMnO6上面，很少有关于其他稀土双钙钛矿型氧化物的研究报道。为了充分的发掘双钙钛矿优异的性质以及潜在的应用价值，本文致力于合成A位重稀土离子R2NiMnO6的一系列氧化物，探究其性质。 在实验中，我们采用了条件温和、步骤简单的水热合成方法来合成双钙钛矿R2NiMnO6（R=Pr，Sm，Ho）。然后我们又继续通过了X射线粉末衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等表征手段对所合成的样品晶体进行了结构、形貌等方面的一系列表征。 关键词：双钙钛矿型氧化物；稀土；水热合成法
铁电陶瓷
铁电陶瓷材料的研究现状 尤欣欣 （渭南师范学院化学与生命科学学院，08级材料化学1班）摘要：本文论述了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。最后，对未来的研究与应用前景进行了展望。 关键词：铁电陶瓷；铁电性；钙钛矿；研究 0前言 铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电陶瓷的主要特性为：(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；(2)存在电畴；(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线； (5)介电常数随外加电场呈非线性变化；(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。其电性能：高的抗电压强度和介电常数。在一定温度范围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。 铁电陶瓷的特性决定了它的用途。利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45μF/cm2。利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可以制作介质放大器和相移器等。利用其热释电性，可以制作红外探测器等。利用其压电性可制作各种压电器件。此外，还有一种透明铁电陶瓷，具有电光效应，可用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。 目前，全球铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，当前应用的最好的是陶瓷系列，其已广泛应用于军事和工业领域。但是由于铅的有毒性及此类铁电陶瓷材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。因此开发新一代铁电陶瓷材料己成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。 为此，本文对层状铁电陶瓷、弛豫型铁电陶瓷、含铅型铁电陶瓷、无铅型铁电陶瓷以及反铁电陶瓷材料的研究现状和应用情况进行了综述，为未来的新型铁电陶瓷的研究提供参考。 1层状铁电陶瓷
在直流偏置电压下的材料介电常数测试系统设计
在直流偏置电压下的材料介电常数测试系统设计 王文涛;王世山;龚敏 【摘要】集成型电磁干扰滤波器是抑制电力电子传导电磁干扰的一种有效手段，其结构中多采用高介电常数材料。为预测高介电常数材料在电力电子运行环境下的性能，需要完成其在该环境下的测试。因此提出了一种可用于阻抗测试仪器的直流偏置下电容测试电路，可以测量高直流偏置电压下的电容阻抗。根据电容自放电时间常数的大小，分成两种工作模式，可以完成材料在电力电子应用环境下的介电常数性能测试。以此测试电路为工具对 CaCu3Ti4O12陶瓷材料的介电常数特性进行了测试。通过建立电阻、电感和电容的高频模型，利用解析法提取其寄生参数，并将其用于测试数据的处理。通过一个实例测试，对测试系统的有效性进行了验证。%Integrated EMI filters, in which the high permittivity material is used, play an important role in restraining conducted EMI of the power electronic system. The characteristics of the high permittivity material, under the operating voltage in circuits, are very important. In this paper, a system is proposed to measure the impedance of a capacitor in the high DC voltage condition. According to the different discharge time constants of capacitors, the system is divided into two modes. In addition, the CaCu3Ti4O12 ceramic has been measured by the system, as well as the high-frequency models of resistors, conductors and capacitors are established. The parasitic parameters of the models are extracted by an analytical approach, which are used on the data processing. A test verifies the measure system.
介电弹性体发电原理分析及应用
介电弹性体发电原理分析及应用 作者：刘志运周芸悦 来源：《机电信息》2021年第17期 摘要：介电弹性体（Dielectric Elastomer，DE）是一种电活性聚合物，是一种表现出对电场响应的大应变材料。现介绍了介电弹性体中基质材料的结构特性，并详细分析了介电弹性体发电的基本原理、发电技术及其相比现有传统发电技术所具备的优势。根据近年来人们对介电弹性体的研究，总结并提出了介电弹性体未来发展中可能存在的问题以及应用前景。 关键词：介电弹性体;发电原理;应用 0 引言 介电弹性体研究自20世纪90年代中期开始，作为一类重要的功能材料，介电弹性体各方面已得到各国学者广泛研究，如非线性光学、铁电、压电元件和电致伸缩性等。近年来，通过改变形状来响应磁场、电场、压力等外部刺激的聚合物研究越来越多，电活性聚合物可能是被研究最多的一类，介电弹性体作为电活性聚合物的一种，具有张力大、工作原理简单的特点。介电弹性体在外部电场的刺激下可改变其结构形状或体积。当物体外部承受电能的刺激动作停止时，即可自动恢复或回到原来的物体形状或缩小体积，从而自动产生机械应力和运动应变，将外部电能自动转化为电动机械的性能，机电转换效率高。
1 介电弹性体中基质材料的结构特征 1.1 聚丙烯酸酯类弹性体 聚丙烯酸酯弹性体，一种由丙烯酸乙酯和其他丙烯酸酯共聚而成的合成橡胶，外加少量（约5%）另一种含有活泼鹵素的化合物，如氯，用于弹性体的其他丙烯酸酯包括丙烯酸正丁酯、丙烯酸甲氧乙酯和丙烯酸乙酯，这些化合物具有良好的耐热、耐臭氧、耐光和耐油性[1]。 目前，使用最广泛的以丙烯酸酯为基础的DES是商用丙烯酸酯材料，如3M商用胶带VHB 4910和VHB 4905。亚克力材料因其低廉的价格、优异的性能、对顺应电极的良好附着力等优点而受到许多研究者的青睐。在高预应变水平下，亚克力材料的最大应力和驱动应变分别达到7.7 MPa和380%，预拉伸后亚克力材料的电击穿强度达到了空前的水平[2]。 1.2 硅树脂及其复合材料 为了开发能在低电压下活化的新材料，人们付出了很大的努力。其方法是提高弹性体的介电常数和降低弹性体的弹性模量。硅树脂具有使用温度范围广，化学反应活性低，耐氧、臭氧和阳光照射，电绝缘性好，毒性低等特点。一些商业硅树脂已经被研究，如DEA。而硅树脂材料的缺点是介电常数较低，因此要增加基础偏置电压和低抗断裂性，这使得处理薄膜成为一个挑战[3]。 近年来，为了提高硅橡胶的介电性能，大量研究工作都集中在提高硅橡胶的介电常数上。在基体中加入高介电常数陶瓷填料是提高弹性体介电常数的一种常用而简单的方法，常用的填料有钛酸铜钙（CaCu3Ti4O12）、钛酸钡（BaTiO3）、二氧化钛（TiO2）等，高介电常数刚性颗粒的加入使硅橡胶的介电常数显著增加，同时硅橡胶的模量也增加，击穿强度降低。Zhao 等人将二氧化钛作为高介电常数填料，二甲硅油（DMSO）作为增塑剂对硅橡胶进行改性，制备出高介电常数低模量硅橡胶复合材料。DMSO的膨胀作用使硅橡胶/TiO2复合材料的模量从820 kPa降低到95 kPa，虽然介电常数也降低了，但模量的降低更为显著，因此硅树脂复合材料的介电常数与弹性模量的比值（εr/Y）增大[4]。 1.3 聚氨酯及其复合材料 大多数聚氨酯弹性体的特征是通过相当弱的分子间力将聚合物长链连接在一起。由于链的长度和混合，聚氨酯弹性体的分子结构经常被比作“意大利面”。这些长链对压力反应良好，可以很容易地恢复到原来的形式，而不会撕裂或断裂。 研究表明，以二氧化钛功能化石墨烯填充的聚氨酯介电弹性体作为柔性微驱动器，具有明显的电刺激响应和电场诱导应变。将纳米TiO2装饰在石墨烯上可以大大提高石墨烯的亲水性
钛酸铜钙巨介电材料的研究进展
钛酸铜钙巨介电材料的研究进展 于玉; 邹承锐; 刘展晴 【期刊名称】《《合成材料老化与应用》》 【年(卷),期】2019(048)005 【总页数】4页(P146-149) 【关键词】CaCu3; Ti4; O12; ;巨介电机理;制备方法;掺杂 【作者】于玉; 邹承锐; 刘展晴 【作者单位】渭南师范学院化学与材料学院陕西渭南714099 【正文语种】中文 【中图分类】TM282 在信息全球化的今天，局域网络以及卫星通讯技术的快速发展，为电子元器件行业带来机遇和挑战，有着广阔的应用前景[1-2]。为了满足电子设备的需求，需要设计并发展更好的介电材料。电容器与电池相比，不需要特别充放电电路、内阻小、寿命长、充放电循环率高、功率密度是锂离子电池的数十倍以上，是一种新颖的存储和释放能量的装置[3]。传统的电容器由于体系中含有电解液而导致输出电压不能提高，如果将电解液变成固体，输出电压有可能会提高。如果采用巨介电常数的材料就可以制备出超级电容器电池。现在最普遍常见的高介电常数材料有：铅基弛豫铁电体材料、钛酸钡材料、钛酸铜钙材料等。钛酸铜钙(CCTO)材料由于高介电常数、高热稳定性等特殊性能而受到研究人员的亲睐并得到迅速的发展[4]。
1 CCTO结构和巨介电机理 1.1 结构 钛酸铜钙是一种不同寻常的钙钛矿结构的材料，它在电子陶瓷材料中地位突出，有着十分重要的作用。钛酸铜钙是体心立方钙钛矿结构，是由Bochu等人[5]采用中子衍射法测出来的。不管是单晶形态还是多晶形态，它都呈现出非常高的介电常数。在1979年测定了其结构，它属于Im3空间群，晶格常数是7.391Å。在单胞中，各原子坐标分别为Ca(0，0，0)、Cu(0，1/2，1/2)、Ti(1/4，1/4，1/4)、 O(0.3038，0.1797，0)。在结构图中钛离子位于氧八面体的体心位置；钙离子、 铜离子位于八面体的八个顶角，并且以1∶3分配。由于CCTO材料结构的特殊性，所以它有着特殊的性能，如：高介电性(表现出罕见的高介电性，且不需要复杂的 制备过程)、温度系数小(即在一定的温度范围内，材料的介电性与温度的变化是没有关系的)。 1.2 巨介电机理 对于CCTO巨介电性的起因研究者提出了不同的解释。早期认为，CCTO介电性 能和铁电陶瓷一样，是由于内部的晶体结构引起的。后经实验证明，CCTO巨介电性的产生是由外部因素引起的，是非本征晶体结构的。对此，研究者提出了不同的模型，如经典理论模型、内部阻隔层电容(IBLC)模型等。 1.2.1 经典理论模型 据相关文献报道[4-7]，在发现CCTO巨介电性后，从CCTO内在晶体结构和原子结构角度出发提出了应力模型；而且发现如果从量子力学第一性原理出发，对CCTO巨介电性原因做了研究，但是由于计算得到的介电常数与实验数值相差太大，从而得出结论：介电性能与内部结构无关。Lunkenheimer等[6]通过实验总结出：由于发生电子极化，材料产生了巨介电性能。同时还出现肖特基类型的缺陷，缺陷与样品有关。因此，他们认为CCTO的巨介电特性是非本征的。Sinclair等[7]通
巨介电常数材料CCTO的可变程跳跃电导研究
巨介电常数材料CCTO的可变程跳跃电导研究 林鹏;黄海涛;叶茂;曾燮榕;柯善明 【摘要】The ac conductivity and dielectric properties of CaCu3Ti4O12 (CCTO) ceramics were investigated in a temperature range of-120℃to 300℃and a frequency range of 1 Hz to 10 MHz. Two different conduction processes, which can be well described by Mott’s variable-range-hopping (VRH) mechanism, were observed in different temperature regions. The high temperature VRH conduction is related to the second ionization of oxygen vacancy. The low temperature dielectric properties of CCTO could be described by the so-called universal dielectric response (UDR) when a polaron relaxation is considered.%文章研究了巨介电常数材料 CaCu3Ti4O12(CCTO)在宽温区(－120℃～300℃)及宽频域(1 Hz～10 MHz)的交流电导及介电性能。在低温区和高温区，CCTO表现出两种不同的导电过程，均可以由Mott提出的可变程跳跃电导机制(Variable-Range-Hopping，VRH)来描述。研究发现高温VRH过程与氧空位的二次离子化相关，而低温过程符合普适介电响应方程，其介电弛豫行为起源于极化子的弛豫。 【期刊名称】《集成技术》 【年(卷),期】2014(000)006 【总页数】6页(P8-13) 【关键词】CCTO;巨介电常数;可变程跳跃电导;极化子弛豫 【作者】林鹏;黄海涛;叶茂;曾燮榕;柯善明
缺陷钉扎导致的铁电陶瓷介电弛豫
缺陷钉扎导致的铁电陶瓷介电弛豫 李立本;郭惠芬;陈庆东;李庆收 【摘要】@@%把电荷密度波理论引入到铁电陶瓷的介电温谱研究中.指出陶瓷中缺陷的钉扎效应导致介电响应的弛豫.高温时,集体钉扎主导陶瓷的极化行为；低温时,局域亚稳态的弛豫对极化起决定作用.两者的竞争导致介电峰值的出现.理论计算与试验结果定性吻合. 【期刊名称】《河南科技大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2012(033)005 【总页数】4页(P93-96) 【关键词】铁电陶瓷;介电弛豫;电荷密度波;缺陷钉扎;介电峰值温度 【作者】李立本;郭惠芬;陈庆东;李庆收 【作者单位】河南科技大学物理与工程学院,河南洛阳471023;南京大学固体微结构物理国家重点实验室,江苏南京210093;河南科技大学物理与工程学院,河南洛阳471023;河南科技大学物理与工程学院,河南洛阳471023;河南科技大学物理与工程学院,河南洛阳471023 【正文语种】中文 【中图分类】O484 0 前言 在介电常数—温度曲线上存在反常峰是铁电材料的典型特征。热力学理论和试验
结果均表明:对于无缺陷的单畴铁电晶体，有奇点、不连续和尖头3种典型反常峰［1］。但是，铁电薄膜和掺杂的铁电陶瓷的介电温谱往往存在弥散的宽峰［2－8］。铁电薄膜的介电弥散被认为是一种界面效应:膜与衬底(电极)界面处的失配缺 陷在膜内引起均匀的应变，会改变薄膜相变的级［9－10］，或失配缺陷在膜内导致非均匀的应力场，使得相变在不同区域不同温度连续发生［11－12］。铁电陶 瓷的厚度很厚，上述界面效应可以忽略。虽然颗粒间晶界对于诸如CaCu3 Ti4 O12这样的高介电陶瓷的介电温谱的影响巨大［13－14］，但在高纯BaTiO3陶 瓷却没有观察到介电弛豫现象［8］。 文献［15］曾假定铁电陶瓷中存在许多微区，每个微区的相变是一级的，但由于 颗粒间的应力作用使各微区的相变温度呈高斯分布。由此，可以解释特定频率下 Zr掺杂的BaTiO3陶瓷的介电温谱［8］。进而结合德拜弛豫方程，文献［16］还给出了峰值介电常数对频率的依赖关系。这种唯象模型虽在一定程度上取得成功，但假设的一致性尚需探讨，且物理本质不甚明了。铁电体的本质特征是存在自发极化，且极化取向随外加电场而变化。电极化强度对外加电场的响应是铁电畴壁运动的宏观表现。类似于超导体，把铁电畴壁的运动过程视为弹性体在随机缺陷媒质中的运动［17－18］，进而量子化为电荷密度波(CDWs)在有钉扎势场中的传播［19－21］，不仅物理图像清晰，而且可以从本质上理解介电常数的起源［22］。本文简单介绍CDWs理论，进而运用该理论的推论解释掺杂的钛酸钡陶瓷的试验 结果。 1 CDWs理论及其在介电响应上的应用 在一个非理想晶体中，对于CDWs有两类钉扎:受库仑硬化作用影响的(弱的)集体 钉扎和由亚稳态弹性形变导致的(强的)局域钉扎。集体钉扎具有大的关联长度、介电极化率和势垒高度的特征。它起源于大数量的杂质而导致的大范围(畴壁)形变，依赖于CDWs的弹性性质［19］。
聚合物基复合材料在高介电材料方面的应用与发展
聚合物基复合材料在高介电材料方面的应用与发展 姓名:*** 班级：高分子化学与物理学号：**** 摘要：高介电常数聚合物具有优异的介电性和柔韧性，可以制备高容量有机薄膜电容器等无源器件，近年来受到广泛关注。本文概述了目前高介电聚合物基复合材料的主要问题，论述了铁电陶瓷－聚合物型、氧化物－聚合物型、碳纳米管－聚合物型、金属导电颗粒－聚合物型、全有机高分子聚合物型等高介电复合材料的国内外研究进展。并指出提高介电常数、储能密度，减小介电损耗，降低制备成本是未来发展的方向。 关键词：高介电常数复合材料聚合物填料介电损耗 正文： 随着信息技术的发展，作为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、动态随机存储器(DRAM)以及印刷线路板(PWB)上电容器的介质材料迅速减薄，逼近其物理极限。随着器件特征尺寸的不断缩小，当线宽小于0.1μm，栅氧化物层厚度开始逐渐接近原子间距。此时，受隧道效应的影响，栅极漏电流将随氧化层厚度的减小呈指数增长。漏电流的急剧增加造成MOS器件关态时的功耗增加，对器件的集成度、可靠性和寿命都有很大影响，因此研究新型高介电介质材料成为当今信息功能材料以及微电子领域的前沿课题。 介电材料按介电常数的高低分为高介电和低介电两个方向。高介电材料主要应用于栅极介质材料、储能材料等领域，低介电材料主要用来制备电子封装材料。笔者所在的课题组近年来在聚酰亚胺低介电复合材料方面取得了一系列研究成果。高介电常数材料根据用途主要分为钙钛矿相氧化物和金属或过渡金属氧化物，前者用于DRAM以及PWB上的电容介质材料，后者用于MOSFET栅极的绝缘介质材料。近年来，聚合物基高介电材料成为微电子行业研究的热点之一，选择合适的聚合物基体，可以在PWB上快速大规模地制备高电容嵌入式微电容器，这种微电容器可以保证集成电路的高速运行。此外，利用聚合物基高介电材料具备的特殊物理特性，可制备具有特殊性能的新型器件[1]。 1 电介质及其极化机理[2] 电介质是指在电场下能在电介质材料内部建立极化的一切物质。从广义上讲，电介质不仅包括绝缘体，还包括能够将力、热、光、温度、射线、化学及生物等非电量转化为电信息的各种功能材料，甚至还包括电解质和金属材料。电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储和记录电的作用和影响。电介质在电场下最主要的电特性是电导和极化，极化是电介质中电荷(束缚在分子或局部空间中不能完全自由运动的电荷及自由电荷) 在电场中作微小
铁电粉体的有机改性及其在聚合物复合材料中的应用
铁电粉体的有机改性及其在聚合物复合材料中的应用 张邦文;魏雪冬;宋志斌 【摘要】为满足嵌入式电容器、柔性电容器等新型电子器件的发展需求,对铁电粉体/聚合物复合材料及其界面修饰问题的研究尤其引人注目.本文对当前铁电粉体表面有机改性的研究进展进行了文献评述.首先,对铁电粉体改性方法进行定义、分类;然后,介绍各种改性方法涉及的路线、技巧和主要结果,并对其优缺点进行比较;最后,展望该领域未来的发展趋势. 【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》 【年(卷),期】2014(033)003 【总页数】5页(P234-238) 【关键词】铁电粉体;表面改性;复合材料;介电性能 【作者】张邦文;魏雪冬;宋志斌 【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010 【正文语种】中文 【中图分类】TM22+1 便携式电子设备，固定电源系统，混合动力汽车和脉冲功率应用程序的发展要求具有低损耗、结构紧凑和高性能的电气储能器件［1－3］.电容器是电子电路中用量很大的无源器件，作为分立元器件的替代品，嵌入式无源器件具有更高的元件密度
和介电性能，更优的产品设计灵活性和可靠性，并降低了生产成本.制作这种嵌入 式无源器件需要高介电常数、低介电损耗以及能和印刷电路板有很好兼容性的电介质材料［4］，将铁电粉体，如 BaTiO3(BT)，CaCu3Ti4O12(CCTO)，PZT，加入聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、环氧树脂(ER)，形成的聚合 物复合材料是热门的候选材料之一.与传统的陶瓷材料相比，它不仅继承了铁电粉 体的高介电常数、聚合物的低介电损耗，而且低温加工性能优异，适合于制造嵌入式电容器以及柔性储能器件［5，6］. 目前，对铁电粉体/聚合物复合材料开展了大量的研究工作［6－23］.其中，一个 备受关注的问题是粉体表面的有机改性，许多研究发现，提高复合材料介电常数和降低介电损耗是一对矛盾，因为提高介电常数必须增加粉体含量，容易引起粉体团聚、气孔和非均匀性等问题，从而恶化复合材料的介电性能，包括增加介电损耗. 解决这一问题的关键在于表面有机改性，即将特定功能的有机分子引入粉体表面，改善粉体在聚合物中的相容性、分散性、介电性. 本文针对铁电粉体的表面有机改性及其在聚合物复合材料中的应用，进行文献评述，试图展示这一领域当前的研究成果和进展.首先，对铁电粉体改性方法进行分类、 定义;然后，介绍各种改性方法涉及的重要文献，包括主要思路、技术路线和实验 结果，对各种方法的优缺点进行比较;最后，总结全文，展望该领域未来的发展趋势. 小分子表面改性是指，用分子量较低的偶联剂或表面活性剂对铁电粉体进行表面修饰，旨在改变无机粉体的表面化学性质，赋予粉体与聚合物基体的相容性.按分子 与粉体表面的结合方式，小分子改性可分为非共价结合改性和共价结合改性两大类. 在非共价结合改性中，小分子被引入到粉体表面，与粉体以配位键、氢键、静电作用等方式结合，常见的小分子有脂肪酸及其钠盐，有机磷酸等. Zhou等［7］采用双氧水处理纳米BT，然后与PVDF复合，由于BT表面－OH
非铁电巨介电压敏材料CCTO
高介电常数氧化物介电材料是以电子器件的小型化和高速化为特征的微电子技术升级换代的关键材料,在目前器件加工工艺接近极限,不能再简单缩小尺寸的情况下,小型化最终取决于提高电容器中绝缘介质材料静态介电常数ε值。高介电常数材料是指介电常数大于二氧化硅介电常数(ε= 319) 的材料,目前主要有介电常数在1 000以上的钛酸钡系和钛酸铅系铁电材料。由于铁电材料在居里温度发生铁电2顺电相变,使其介电常数的温度稳定性变差,迫切需要开发新型、宽温度稳定型高介电材料。近年来陆续发现了一些高介电常数的非铁电材料,如NiO 基[1 ] 、CuO 基[2 ] 、ACu3 Ti4O12 系[3 ] 和AFe1P2 B1P2 O3系[4 ] 。这些材料的普遍特点是具有超过104 的高介电系数,并且在一定温度范围内非常稳定,同时不含对环境污染的Pb 等重金属元素,具有环境友好性,因此在电容器材料方面具有很好的应用前景。金属氧化物基陶瓷非线性电阻器件(如ZnO、TiO2 、SrTiO3 等) 是电力系统和电子系统关键的过电压保护器件,用于吸收电涌能量,防止电涌对电子设备或系统的破坏。提高压敏电阻片的介电常数能明显改善避雷器内压敏电阻柱电位分布的均匀性,这样避雷器不用加均压电容器就能保证电位分布均匀,大大简化避雷器的结构。目前采用添加稀土氧化物、过渡金属氧化物等烧制而成的ZnO 压敏电阻,介电常数低,本身电容与其对地及周围物体的杂散电容相当,导致避雷器内压敏电阻柱的电位分布很不均匀,一些压敏电阻片承受的电压过高,加速其老化,危及避雷器的安全运行。此外,半导化后的TiO2 、SrTiO3 可以作为压敏2电容双功能陶瓷器件,其介电常数达到几千;但是纯TiO2 、SrTiO3 为绝缘体,首先需要掺杂高价阳离子使其半导化,SrTiO3 甚至需要在还原气氛中烧结来强化半导,然后再经过空气下热处理,工艺相对复杂且不易控制。而寻找温度稳定型电容2压敏双功能器件对于微电子技术中实现器件小型化和功能一体化具有重要的 意义。1967 年就已知ACu3 Ti4O12 家族的化合物[5 ] ,1989 年进行过结构测量[6 ] ,但并未进行介电特性的测量。2000 年Subramanian 等[3 ] 首次报道了具有巨介电常数的CaCu3 Ti4O12 材料( 简称CCTO) , 其在1kHz 交流电场作用下,ε值可达到12 000 ,在很宽的温区范围内(100 —400K) 介电常数几乎不变,反映了介电响应的高热稳定性。2004 年Chung 等[7 ] 发现没有任何掺杂的CaCu3 Ti4O12 具有明显的电流2电压非线性特征,非线性系数超过900 ,远高于ZnO。这些 良好的综合性能,使其有可能在高密度能量存储、薄膜器件(如MEMS ,GB2DRAM) 、高介电电容器等一系列领域中获得广泛的应用。 近年来,CaCu3 Ti4O12材料得到学术界的重视,但是还没有对其介电特性和压敏特性进行系统归纳。本文以基本结构、机理探讨为基础,性能应用为目的,系统综述了CaCu3 Ti4O12材料的研究状况。 1 CaCu3 Ti4O12的结构 CaCu3 Ti4O12 (CCTO) 是一种具有BCC 类钙钛矿结构的复杂氧化物,在晶体学上属于Im3 空间群,常温下的晶格常数约为017391nm。其结构如图1 所示,单胞中各原子的坐标为: Ca (0 0 0) ; Cu (01212) ;Ti ( 141414) ;O(013038 011797 0) 。 图1 CaCu3 Ti4O12的晶体结构示意图[6 ]
高介电常数聚合物基复合材料研究进展
高介电常数聚合物基复合材料研究进展 尚继武;张以河;吕凤柱 【摘要】本文概述了目前高介电聚合物基复合材料的主要问题,论述了铁电陶瓷、导电颗粒(金属粒子、石墨、碳纳米管)改性高介电复合材料的国内外研究进展；重点介绍了酞菁铜、聚苯胺改性全有机高介电复合材料,探讨了存在的主要问题,并指出提高介电常数、储能密度,减小介电损耗,降低制备成本是未来发展的方向.%The main problems in high-dielectric-constant polymer composites are reviewed. The composites of polymers with ceramics, conductive particles (metal particles, graphite and carbon nano-tubes) are summarized. The review also narrates copper phthalocyanine and polyaniline modified all--organic high-K composites. Meanwhile, problems facing the traditional high-K polymer composites are discussed. At last, the prospects of the possible developments in the future are proposed, that is to enhance the dielectric constant, energy density, and to decrease the dielectric loss and production cost. 【期刊名称】《材料工程》 【年(卷),期】2012(000)005 【总页数】7页(P87-92,98) 【关键词】高介电常数;聚合物基复合材料;储能电容器;介电损耗 【作者】尚继武;张以河;吕凤柱