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稀土在电子陶瓷中的应用

着科学技术的不断进步,尤其是信息产业的发展对电子陶瓷的功能和性能要求越来越高,希望能有新型高性能电子陶瓷出现,人们便注意到具有特异改性功能的稀土材料在电子陶瓷中的应用研究。


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稀土在电子陶瓷中的应用十分广泛。主要有氧化铈、氧化镧、氧化钕、氧化镝、氧化钐、氧化钬、氧化铒等。


图源自网络 

稀土在电子陶瓷中的作用很多,主要作用有:
 
1、作为某些主晶相结构材料,提高电子陶瓷的整体性能

电子陶瓷通常是由固相、玻璃相及气相组成的多晶体(单晶体除外)。其性能由这三相性能决定。一般都希望固相致密且晶粒细小,玻璃相和气相越少越好。选择何种稀土作为电子陶瓷的主晶相结构材料,直接影响着电子陶瓷的性能。例如钡钛钕系列电子陶瓷材料,氧化钕含量达20%以上,与其他系统类似性能的电子陶瓷相比,该系统由于引进了稀土氧化钕,获得了致密度更高,电性能更优异的陶瓷体。从而大大提高了抗电强度、介电常数及介质损耗的频率特性,同时降低了介质损耗。

2、晶粒生长抑制剂稀土作为晶粒生长抑制剂。

随着电子元器件的小型化、高可靠要求,希望电子陶瓷能承受更高的抗电强度,尤其是更高的交流抗电强度。要提高抗电强度必须首先提高瓷体致密度。有资料表明,瓷体致密度提高3%,抗电强度可提高150%以上。提高瓷体致密度的途径主要有两条,一是减少气孔率,二是防止瓷体晶粒长大,使瓷体结构细晶化。



有研究表明,在普通钛酸钡系统的电子陶瓷中,通过添加诸如Dy2O3、Er2O3、Ho2O3等之一的稀土氧化物均有明显抑制晶粒生长的作用。在同一配方中,不添加稀土氧化物的瓷体的最大晶粒为20um,交流抗电强度为2.2~2.8KV/mm,而添加稀土氧化物的瓷体的最大晶粒约7um,绝大多数晶粒在2~5um,交流抗电强度为3.5~4.1KV/mm。

三价稀土氧化物(Dy2O3、Er2O3、Ho2O3等)能抑制晶粒生长,是因为三价稀土氧化物(此处以M表示稀土氧化物)3+在对普通BaTiO3中的Ba2+进行取代时,为了保持电价平衡,必然会产生Ba2+空位。其机理可表示为:



式中:口表示Ba2+空位,M表示稀土氧化物。Ba2+空位的出现,会引起晶格畸变显著,M3+抖易于产生晶界偏析,即M抖易于自固溶体中分凝在晶界或晶界附近,使杂质在晶界或晶界附近富集,阻止晶界移动,亦即防止晶粒的生长,有利于获得细晶结构陶瓷,提高瓷体抗电强度。因此说Dy2O3、Er2O3、Ho2O3等稀土氧化物是电子陶瓷的良好的晶粒生长抑制剂。

3、性能改善剂

图源自京瓷官网


电子陶瓷除抗电强度外,还有介电常数、介质损耗、绝缘电阻、电容温度特性、频率特性、膨胀系数、机械强度等性能要求,同时还有居里点、瓷体表面特性及焙烧温度、焙烧工艺性能要求等。针对上述各性能要求的特点,均可从CeO2、La2O3、Nd2O3、Dy2O3、Er2O3、Sm2O3、Ho2O3……中选择对应的稀土性能改善剂,从而达到提高所需改善性能要求的目的。实践证明,往往添加微量稀土,完全可使陶瓷性能得到相当大的提高。


文章参考来源:成都宏明电子科大新材料有限公司

稀土电子陶瓷正在以每年15%以上的速度增长,尤其是大容量MLCC、交直流高压陶瓷电容器、半导体陶瓷电容器及半导体陶瓷敏感元件等的需求增长速度更大。深圳晶世新材料将在6月5日第二届高端电子陶瓷产业高峰论坛中发表“稀土在先进电子陶瓷电容材料中的研究进展”的主题演讲,欢迎电子陶瓷产业链人士前来交流探讨。


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