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介電陶瓷

具鈣鈦礦 (perovskite) 結構之材料為鐵電 (ferroelectric) 材料的一種。 perovskite 源自鈦酸鈣 (CaTiO 3 ) 的名稱，此類型結構的化學式為 ABO 3 。其中， A 代表離子半徑大的陽離子， B 代表離子半徑較小的陽離子， O 代表氧。因此對於 A site 元素通常是選擇低價數且半徑大的離子；如： Pb 2+ 、 Ba 2+ 、 Sr 2+ 、 Ca 2+ 及 Mg 2+ 等，而對 B-site 的元素而言，則是選擇高價數半徑小的離子；如： Ti 4+ 與 Zr 4+ 等。. 介電陶瓷.

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介電陶瓷

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Presentation Transcript

  1. 具鈣鈦礦(perovskite)結構之材料為鐵電(ferroelectric)材料的一種。perovskite源自鈦酸鈣(CaTiO3) 的名稱，此類型結構的化學式為ABO3。其中，A代表離子半徑大的陽離子，B代表離子半徑較小的陽離子，O代表氧。因此對於A site元素通常是選擇低價數且半徑大的離子；如：Pb2+、Ba2+、Sr2+、Ca2+及Mg2+等，而對B-site的元素而言，則是選擇高價數半徑小的離子；如： Ti4+與Zr4+等。 介電陶瓷

  2. ABO3材料通常為介電(dielectric)材料，在元件中主要是作為絕緣體(insulator)或電容器的應用。當絕緣體受外加電場作用時，內部電荷會產生位移因而形成電偶極(electric dipole)，導致極化產生而有介電性(dielectric)。在介電材料中極化可由外加電場產生，若極化非由外加電場作用，則稱為自發性極化(spontaneous polarization)，這是材料內部相鄰電偶極的交互作用而自行排列形成晶域所產生，也就是一般所說的鐵電性(ferroelectricity)。

  3. 介電物質以介電常數(εr)的大小來表示其儲存電荷的能力，以平行板電容來說，若平面面積A，板距為D，板中介電物質的介電常數為εr，在平行板的兩側加電壓V，則儲存的電荷量Q與電壓V有以下關係：介電物質以介電常數(εr)的大小來表示其儲存電荷的能力，以平行板電容來說，若平面面積A，板距為D，板中介電物質的介電常數為εr，在平行板的兩側加電壓V，則儲存的電荷量Q與電壓V有以下關係： • Q=C × V，C=(εεo)A / D • 其中，C為電容值，εo為真空介電常數8.854 × 10-12 F/m。

  4. ST陶瓷在1370oC燒結持溫2 、4 、6小時之XRD (A)2 (B)4 (C)6小時

  5. ST陶瓷在(a)1300oC (b) 1330oC (c) 1350oC (d) 1370oC燒結4小時 SEM

  6. BT陶瓷在(a)1330oC (b) 1350oC (c) 1370oC (d) 1400oC燒結4小時 SEM

  7. 以反應燒結法研製 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 (PNN)與PNN-PbTiO3(PNNT) 弛緩性鐵電陶瓷

  8. 弛緩性鐵電材料簡介 • Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 (PNN)與PNN-PbTiO3(PNNT)所屬即為一種弛緩性鐵電(relaxor ferroelectric)材料，此種材料的特性在於其具有擴散的相變化行為：鐵電～順電相變化是發生在一溫度範圍內(如圖1所示)。 • PNN(-150oC～50oC)之間 • 72%PNN-28%PT (0oC～100oC)之間 • 上述所囊括的溫度範圍，可以完整呈現其『弛緩性鐵電的特性』，而在此溫度範圍，介電常數的值與頻率相關，頻率越低其值越大。

  9. 圖1 PNN弛緩性鐵電相變化圖 (Edeard F. Alberta , Amar S. Bhalla)

  10. 弛緩性鐵電陶瓷之粉末製程發展 • 以弛緩性鐵電陶瓷Pb(Mg1/3Nb2/3)O3以下簡稱PMN為例說明： • 傳統氧化物混合法： • 將氧化物原料(MgO、PbO、Nb2O5) 依所需劑量配置，而後經過球磨、烘乾、搗磨、煆燒等步驟製程PMN。 • 缺點是在過程中易形成穩定的pyrochlore相，很難得到純的PMN。

  11. 1982年兩段式煆燒預先合成法： • 1982年，S. L. Swartz 和T. R. Shrout提出先將MgO與Nb2O5合成Columbite結構，再與PbO合成PMN，如此可避免PbO和Nb2O5反應成pyrochlore相的機會，而大幅增加了PMN的純度。 • 簡化Columbite製程法： • 1994年 Liou 與 Wu 提出將 Swartz 及 Shrout 的Columbite製程簡化為：MgNb2O6與PbO混合後不經煆燒而直接成型並燒結。 • 此方法可得到100%鈣鈦礦相之PMN陶瓷體。

  12. 反應燒結法(Reaction-Sintering process)： • 2003年Chen 和 Liou等人提出反應燒結法製造PMN，此方法將PbO， Mg(NO3)2及 Nb2O5以丙酮混合後經烘乾與搗碎後，直接加壓成型並燒結得到100% perovskite PMN陶瓷。 • 已驗證成功者有PMN、PFN、PZN…等等。 • 如本論文所述，PNN陶瓷是將氧化物原料PbO、Nb2O5、Ni(NO3)2‧6H2O三種原料，不需煆燒，經球磨、烘乾、搗磨，直接將成型的生胚，進行燒結而得到100% perovskite PNN陶瓷。 • 反應燒結法的製程步驟(如圖2所示)

  13. 圖2 反應燒結法的製程步驟

  14. P:PNN Π:Pb3Nb4O13 b:PbO * :Pb2Nb2O7 圖3 PNN陶瓷燒結溫度700℃～950℃無持溫之XRD

  15. P:PNN Π:Pb3Nb4O13 圖4 PNN陶瓷燒結溫度900℃～1100℃無持溫之XRD

  16. 700℃ 800℃ 900℃ 圖5 PNN反應機制的SEM相片

  17. 950℃ 1000℃ 1100℃ 圖6 PNN反應機制的SEM相片

  18. 圖7 PNN陶瓷燒結溫度1150℃～1250℃ 持溫2小時之XRD

  19. 圖8 PNN陶瓷燒結溫度1150℃～1250℃ 持溫4小時之XRD

  20. PNN陶瓷持溫2小時燒結溫度對密度與晶粒大小的改變PNN陶瓷持溫2小時燒結溫度對密度與晶粒大小的改變

  21. (A) 1150oC (B) 1180oC 圖9 PNN陶瓷燒結持溫2小時之SEM

  22. (C) 1230oC (D) 1250oC 圖9 PNN陶瓷燒結持溫2小時之SEM

  23. (A) 1150℃ (B) 1180℃ 圖10 PNN陶瓷燒結持溫4小時之SEM

  24. (C) 1230℃ (D) 1250℃ 圖10 PNN陶瓷燒結持溫4小時之SEM

  25. 圖11 PNN5P陶瓷燒結溫度1150℃～1250℃ 持溫2小時之XRD

  26. 圖12 PNN5P陶瓷燒結溫度1150℃～1250℃ 持溫4小時之XRD

  27. (A) 1150℃ (B) 1180℃ (C) 1200℃ 圖13 PNN5P陶瓷燒結持溫2小時之SEM

  28. (D) 1230℃ (E) 1250℃ 圖13 PNN5P陶瓷燒結持溫2小時之SEM

  29. PNN5P 陶瓷持溫2小時與4小時溫度對晶粒大小的影響

  30. (A) 1150℃ (B) 1180℃ (C) 1200℃ 圖14 PNN5P 陶瓷燒結持溫4小時之SEM

  31. (D) 1230℃ (E) 1250℃ 圖14 PNN5P 陶瓷燒結持溫4小時之SEM

  32. PNN5P-2h與4h的討論(SEM) • 1150℃~1250℃燒結2h之PNN 5P陶瓷的SEM相片如圖13與圖14所示，由圖中可知，1150~1250℃幾乎看不出有pyrochlore相的存在，此與XRD之結果符合。當溫度往上升高時，燒結出的晶粒有著越來越大的趨勢。 • 不同溫度燒結4小時之PNN5P陶瓷片的密度是伴隨著燒結溫度的上升而增加，當燒結溫度越高，grain size的大小會逐漸增加，如圖所示1150℃~1250℃ 的grain size會大於燒結2小時的grain size。

  33. 圖15 PNNT陶瓷燒結溫度1230℃～1270℃ 持溫2小時之XRD

  34. 圖16 PNNT陶瓷燒結溫度1230℃～1270℃ 持溫4小時之XRD

  35. PNNT陶瓷持溫2h&4h燒結溫度對密度與晶粒大小的改變PNNT陶瓷持溫2h&4h燒結溫度對密度與晶粒大小的改變

  36. (A) 1230oC/2h (B) 1250oC/2h 圖17 PNNT陶瓷燒結持溫2小時之SEM

  37. (A) 1230oC/4h (B) 1250oC/4h 圖18 PNNT陶瓷燒結持溫4小時之SEM

  38. 圖19 PNNT陶瓷之介電常數 (Chao Lei, Kepi Chen, Xiaowen Zhang, Jun Wang)

  39. PNNT Tmax與Kmax值在2h和4h之比較(1kHz)

  40. 圖20 PNNT3P 陶瓷燒結溫度1230℃～1270℃ 持溫2小時之XRD

  41. 圖21 PNNT3P 陶瓷燒結溫度1230℃～1270℃ 持溫4小時之XRD

  42. (A) 1230℃ (B) 1250℃ (C) 1270℃ 圖22 PNNT3P 陶瓷燒結持溫2小時之SEM

  43. (A) 1230℃ (B) 1250℃ (C) 1270℃ 圖23 PNNT3P 陶瓷燒結持溫4小時之SEM

  44. PNNT3P 陶瓷持溫2小時與4小時溫度對晶粒大小的影響

  45. Microwave dielectric ceramic material各種適用於DR之材料

  46. 由於衛星科技及無線通訊系統需求的快速成長，使得在微波／無線通訊系統中，作為振盪器和濾波器用之介質共振器成為不可或缺的元件，其最主要是因為介質共振器有減少微波／無線通訊元件尺寸、大小的能力，使得微波線路小型化；理想微波介質共振器材料需具有高介電常數，高品質因數值以及良好之共振頻率溫度穩定性。由於衛星科技及無線通訊系統需求的快速成長，使得在微波／無線通訊系統中，作為振盪器和濾波器用之介質共振器成為不可或缺的元件，其最主要是因為介質共振器有減少微波／無線通訊元件尺寸、大小的能力，使得微波線路小型化；理想微波介質共振器材料需具有高介電常數，高品質因數值以及良好之共振頻率溫度穩定性。

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