ZnO-B2O3对CaCu3Ti4O12陶瓷结构与介电性能优化研究

该研究论文探讨了氧化锌-硼酸盐(ZnO-B2O3, ZB)对钙铜钛酸钙(CaCu3Ti4O12, CCTO)陶瓷的结构和介电性能的影响。通过传统的固相反应方法，作者将ZB与预先在1100℃预烧的CCTO粉末混合烧结，制备出不同ZB掺杂浓度的CCTO陶瓷样品。 首先，当ZB的质量分数(w)小于或等于2%时，添加的ZB与CCTO发生化学反应，形成了体心立方(BCC)类钙钛矿结构的单相CCTO，这是ZB对CCTO陶瓷的基本改性效果。这种结构的CCTO显示出优良的介电性能，可能是由于ZB的引入改变了晶格结构，增加了极化效应。 然而，随着ZB含量的增加至w>2%，ZnO与CCTO的比例改变，开始生成Zn2TiO4副相，这可能会影响陶瓷的纯度和均匀性，进而影响介电性能。当ZB的添加量达到0.5%和10%时，观察到CCTO陶瓷的介电常数显著提升，但相应的介电损耗也随之增大。这表明高ZB掺杂可能导致介电性能的两面性，既有优点（高介电常数）也有缺点（较高的损耗）。 在ZB掺杂量为1.0%~5.0%的范围内，尽管介电常数变化不大，但CCTO陶瓷显示出较低的损耗和良好的温度稳定性。具体而言，当ZB掺杂量为2%时，CCTO基陶瓷表现出最优的介电性能，相对介电常数εr高达336，介电损耗tanδ仅为0.018，且温度系数τε为负值(-1.5×10^-5℃^-1)，这表明其具有良好的温度补偿特性。 研究者通过对CCTO陶瓷的阻抗谱分析，发现其内部结构主要由半导体化的晶界和相对绝缘的晶粒组成，这解释了为何ZB掺杂能够导致巨介电常数的现象。该研究不仅提供了关于ZB对CCTO陶瓷结构调控的见解，还揭示了巨介电性质的形成机制，为设计高性能介电材料提供了有价值的参考。