Cerámicas de solución sólida (Bi1/2K1/2)TiO3-SrTiO3 para aplicaciones de condensadores de alta temperatura

Presentación

Los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) ya se utilizan ampliamente en muchos dispositivos electrónicos modernos como teléfonos inteligentes, ordenadores personales, cámaras digitales y muchos más. Hoy en día, existe una creciente demanda de MLCC capaces de funcionar a temperaturas superiores a 200 °C en muchos sectores industriales como la industria del petróleo y el gas, la industria aeroespacial y la industria del automóvil. Por ejemplo, los dispositivos de potencia basados en SiC para aplicaciones de automoción se desarrollan para temperaturas de hasta 300°C y requieren que sus componentes periféricos, incluidos los MLCC, sean capaces de soportar el mismo duro entorno. Para estas aplicaciones de alta temperatura, los materiales dieléctricos de los MLCC deben tener constantes dieléctricas altas y estables a la temperatura, bajas pérdidas dieléctricas y alta densidad de energía recuperable. Los ferroeléctricos basados en BaTiO3 (BT) son los materiales dieléctricos más utilizados en los MLCC tradicionales, pero no son adecuados para aplicaciones de alta temperatura porque el BT tiene una baja temperatura de Curie a 130 °C y su constante dieléctrica cae bruscamente a temperaturas más altas.

En la búsqueda de materiales dieléctricos alternativos para aplicaciones de alta temperatura, los investigadores han estudiado hasta ahora varios sistemas de materiales. Entre ellos, las ferritas relajantes han despertado un gran interés debido a sus elevadas constantes dieléctricas y a su gran dependencia de la temperatura. Históricamente, los relajantes basados en el Pb, como el Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, se investigaron ampliamente por primera vez para MLCC en la década de 1980, pero la toxicidad del Pb limitó su aplicación práctica en dispositivos electrónicos. En la década intermedia, los relajantes sin plomo que contienen Bi se han convertido en el pilar de los materiales dieléctricos MLCC de alta temperatura. Entre las muchas composiciones que contienen relajantes de Bi, las soluciones sólidas basadas en titanato de bismuto sódico (Bi1/2Na1/2)TiO3 (BNT) son interesantes por su capacidad para modular sus propiedades eléctricas mediante modificaciones de la composición. Por ejemplo, se ha observado que las soluciones sólidas de BNT-NaNbO3 presentan constantes dieléctricas estables a altas temperaturas en un amplio intervalo de temperaturas de -60-400°C. Por otro lado, los sistemas BNT-(Sr0.7Bi0.2)TiO3 pueden alcanzar grandes densidades de almacenamiento de energía recuperable debido a su respuesta anti-Fe similar a la de los electrolitos. Aunque la relajación en solución sólida basada en BNT se ha investigado ampliamente hasta ahora, su constante dieléctrica es generalmente inferior a 2000, que es menor que la de la relajación basada en Pb. Por lo tanto, ahora es necesario investigar un nuevo sistema material para conseguir mejores propiedades dieléctricas.

 

Aplicaciones

En este trabajo, para medir las propiedades dieléctricas y ferroeléctricas de las muestras cerámicas, se aplicó pasta conductora de plata a la superficie pulida de las muestras y se cocieron al aire a 600°C durante 10 minutos. La dependencia de la temperatura de la constante dieléctrica y de la tangente al ángulo de pérdida dieléctrica (tan δ) se midió utilizando un medidor LCR (ZM2371, NF Corp.) en un intervalo de temperaturas comprendido entre la temperatura ambiente y 400°C. Para medir las curvas de polarización (P) frente al campo eléctrico (E), las muestras cerámicas se cortaron en pequeñas placas cuadradas de aproximadamente 3 × 3 mm2 y se electrodepositaron mediante pulverización catódica de Au. A continuación, se midieron las curvas P-E utilizando un sistema de ensayo ferroeléctrico (FCE10-B, TOYO Corp.) equipado con un amplificador de alta tensión a temperaturas de hasta 150 °C aplicando una onda de tensión delta con una frecuencia de 0,5 Hz (HEOP-5B6, Matsuda Precision).

La figura 7 muestra las curvas P-E de la cerámica BKST-x medidas a temperatura ambiente. BKST-0.0 muestra una histéresis significativa debida a la conmutación de la polarización remanente (Pr) a ferroelectricidad a 25 μC cm-2. La forma asimétrica en torno a su diagonal significa que la muestra sigue siendo ferroeléctrica. A medida que aumenta el contenido de ST, la histéresis se hace más fina y la Pr disminuye. BKST-0.4 y BKST-0.5 muestran curvas P-E delgadas y no lineales, que se atribuyen a su comportamiento de relajación. Esta observación es coherente con la estabilidad del estado R que implica la dependencia de la temperatura de las propiedades dieléctricas de campo pequeño. Estas curvas P-E tan finas a grandes campos eléctricos son importantes para las aplicaciones de condensadores en las que la histéresis provoca pérdidas de energía durante el funcionamiento.

 

Fuente

Autor: MinamiShiga ,Manabu Hagiwara,Shinobu Fujihara

Institución: Departamento de Química Aplicada, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad de Keio, 3-14-1 Hiyoshi,Kohoku-ku, Yokohama, 223-8522, Japón.

Publicado: 15 de abril de 2020; revisado el 17 de agosto de 2020; 21 de septiembre de 2020

Palabras clave: polvos: productos químicos, propiedades dieléctricas, condensadores, relajantes sin plomo

Revista: Ceramics International

Sitio web fuente del artículo: (Bi1/2K1/2)TiO3-SrTiO3solid-solution ceramics for high-temperature capacitor applications -ScienceDirect

Productos relacionados