Céramiques en solution solide (Bi1/2K1/2)TiO3-SrTiO3 pour des applications de condensateurs à haute température

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Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) ont été utilisés dans une large gamme d'appareils électroniques modernes tels que les smartphones, les ordinateurs personnels, les appareils photo numériques, etc. Aujourd'hui, il existe une demande croissante de MLCC capables de fonctionner à des températures supérieures à 200°C dans de nombreux secteurs industriels, tels que l'industrie pétrolière et gazière, l'industrie aérospatiale et l'industrie automobile. Par exemple, les dispositifs de puissance à base de SiC pour les applications automobiles sont développés pour des températures allant jusqu'à 300°C, ce qui exige que leurs composants périphériques, y compris les MLCC, résistent au même environnement difficile. Pour ces applications à haute température, les matériaux diélectriques des MLCC doivent avoir des constantes diélectriques élevées et stables en température, de faibles pertes diélectriques et des densités d'énergie récupérable élevées. Les ferrites à base de BaTiO3 (BT) sont les matériaux diélectriques les plus largement utilisés dans les MLCC conventionnels, mais ne conviennent pas aux applications à haute température en raison de la faible température de Curie du BT (130 °C) et de sa constante diélectrique qui chute brusquement à des températures plus élevées.

Afin de trouver des matériaux diélectriques alternatifs pour les applications à haute température, de nombreux systèmes de matériaux ont été étudiés par les chercheurs jusqu'à présent. Parmi eux, les ferroélectriques à relaxation ont suscité un grand intérêt en raison de leur constante diélectrique élevée et de leur grande dépendance vis-à-vis de la température. Historiquement, les relaxants à base de Pb, tels que le Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, ont été largement étudiés pour les MLCC dans les années 1980, mais la toxicité du Pb a limité leur application pratique dans les appareils électroniques. Au cours de cette décennie, les relaxants sans plomb à base de Bi sont devenus le pilier des diélectriques MLCC à haute température. Parmi les nombreuses compositions contenant des relaxants à base de Bi, les solutions solides à base de titanate de bismuth et de sodium (Bi1/2Na1/2)TiO3 (BNT) ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur capacité à moduler leurs propriétés électriques par des modifications de composition. Par exemple, les solutions solides BNT-NaNbO3 présentent des constantes diélectriques stables à haute température sur une large plage de températures de -60 à 400°C. Les solutions solides BNT-NaNbO3 présentent des constantes diélectriques stables à haute température sur une large plage de températures. D'autre part, le système BNT-(Sr0.7Bi0.2)TiO3 peut atteindre une énorme densité de stockage d'énergie récupérable en raison de sa réponse de polarisation de type antiferroïque. Bien que la relaxation en solution solide à base de BNT ait été largement étudiée à ce jour, sa constante diélectrique est généralement inférieure à 2000, ce qui est inférieur à la relaxation à base de Pb. Il est donc nécessaire d'étudier un nouveau système de matériaux pour obtenir de meilleures propriétés diélectriques.

 

Applications

Dans cet article, pour mesurer les propriétés diélectriques et ferroélectriques des échantillons céramiques, une pâte conductrice d'argent a été appliquée sur la surface polie des échantillons et cuite à l'air à 600°C pendant 10 minutes. La dépendance de la température de la constante diélectrique et la tangente de l'angle de perte diélectrique (tan δ) ont été mesurées à l'aide d'un compteur LCR (ZM2371, NF Corp.) dans la plage de température allant de la température ambiante à 400°C. La dépendance de la température de la constante diélectrique et la tangente de l'angle de perte diélectrique (tan δ) ont été mesurées à l'aide d'un compteur LCR (ZM2371, NF Corp.) dans la plage de température allant de la température ambiante à 400°C. Pour mesurer les courbes de polarisation (P) en fonction du champ électrique (E), les échantillons de céramique ont été découpés en petites plaques carrées d'environ 3 × 3 mm2 et électrodéposés par pulvérisation cathodique d'Au. Les courbes P-E ont ensuite été mesurées en appliquant une onde de tension triangulaire d'une fréquence de 0,5 Hz à des températures allant jusqu'à 150 °C à l'aide d'un système de test ferroélectrique équipé d'un amplificateur haute tension (FCE10-B, TOYO Corp.) (HEOP-5B6, Matsuda Precision Corp.).

La figure 7 montre la courbe P-E de la céramique BKST-x mesurée à température ambiante. BKST-0,0 montre une hystérésis significative due à la commutation de la polarisation ferroélectrique avec une polarisation résiduelle (Pr) de 25 μC cm-2 . La forme asymétrique autour de sa diagonale implique que l'échantillon est toujours ferroélectrique. Lorsque la teneur en ST augmente, l'hystérésis s'amincit et Pr diminue. Les BKST-0.4 et BKST-0.5 présentent des courbes P-E non linéaires minces, qui sont attribuées à leur comportement de relaxation. Cette observation est cohérente avec la stabilisation de l'état R impliquée par la dépendance de la température des propriétés diélectriques à petit champ. De telles courbes P-E minces à grands champs sont importantes pour les applications de condensateurs, car l'hystérésis peut entraîner une perte d'énergie pendant le fonctionnement.

 

source (d'information, etc.)

Auteur : MinamiShiga ,Manabu Hagiwara,Shinobu Fujihara

Institution : Département de chimie appliquée, Faculté des sciences et des technologies, Université Keio, 3-14-1 Hiyoshi,Kohoku-ku, Yokohama, 223-8522, Japon

Publié : 15 avril 2020 ; révisé le 17 août 2020 ; 21 septembre 2020

MOTS CLÉS : Poudres : agents chimiques, propriétés diélectriques, condensateurs, relaxants sans plomb

Journal : Ceramics International

Article source website : (Bi1/2K1/2)TiO3-SrTiO3solid-solution ceramics for high-temperature capacitor applications -ScienceDirect

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