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共掺杂二氧化钛基高介电陶瓷的物性研究：结构、性能与应用的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代电子技术飞速发展的时代，电子陶瓷作为一类关键的功能材料，在众多领域发挥着不可或缺的作用。从日常使用的智能手机、平板电脑，到工业生产中的各类电子设备，电子陶瓷的身影无处不在。它利用电、磁性质，通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制，最终获得具有新功能的陶瓷，广泛应用于能源、家用电器、汽车等领域，成为推动电子产业进步的重要力量。在电子陶瓷的众多应用中，电容器是其重要的应用领域之一。电容器作为电子电路中的基本元件，承担着储存和释放电能的关键任务。随着电子设备向小型化、高性能化方向发展，对电容器的性能提出了更高的要求。其中，介电材料作为电容器的核心组成部分，其性能的优劣直接决定了电容器的性能。

二氧化钛（TiO?）基陶瓷凭借其独特的物理和化学性质，在介电材料领域展现出巨大的潜力。二氧化钛具有三种结晶形态，分别为金红石型、锐钛矿型和板钛矿型，其中金红石型最为稳定，在电子陶瓷中，金红石型TiO?是制造高介电常数的陶瓷电容器、微晶活性材料钛酸盐电压电陶瓷的主要原料。从产业化角度来看，TiO?来源广泛且价格相对低廉，具有良好的推广使用价值，作为微波介质陶瓷的一种，有着可观的应用前景。然而，二氧化钛基陶瓷也存在一些不足之处，如温度系数高（约450ppm/℃），烧结温度较高达（1500℃），这些缺点限制了其在一些对温度稳定性和烧结条件要求苛刻的领域的应用。

为了克服二氧化钛基陶瓷的这些局限性，研究人员开始探索通过共掺杂的方式对其进行改性。共掺杂二氧化钛基高介电陶瓷应运而生，这种材料通过引入其他元素，能够有效改善二氧化钛基陶瓷的介电性能、降低介电损耗并提高其温度稳定性。在反应过程中，一些离子如Nb??具有较小的离子半径，可以容易地进入TiO?晶胞中并取代一个Ti??，而额外的电子会被邻近的Ti??所捕获形成Ti3?；与此同时两个掺杂元素会取代两个Ti??，并因电荷平衡形成氧空位。最终掺杂离子与氧空位、Ti3?结合形成低能缺陷复合结构，大量的缺陷会形成电子缺陷偶极子簇从而实现了极高的介电常数和频率温度稳定性。同时缺陷偶极子簇可以限制自由电荷的移动，从而降低介电损耗。除了电子钉扎偶极效应（EPDD），共掺杂二氧化钛介电性能的改善还有内部阻挡层电容效应和外部阻挡层电容效应加成的原因。在晶格内，存在少量载流子不能被偶极簇所捕获，这些载流子被晶界所阻挡，使得材料成为半导体，产生界面极化，增强材料的介电常数，这种现象叫做内部阻挡层电容效应。

共掺杂二氧化钛基高介电陶瓷的出现，为解决电子陶瓷在高性能电容器等应用中的关键问题提供了新的途径。它不仅能够满足电子设备对小型化、高性能化的需求，还能推动电子产业向更高水平发展。在5G通信技术中，电子设备需要处理大量的数据，对电容器的性能要求极高。共掺杂二氧化钛基高介电陶瓷制成的电容器，能够以其优异的介电性能，确保信号的稳定传输和快速处理，为5G技术的发展提供有力支持。在新能源汽车领域，电池管理系统对电容器的可靠性和稳定性有着严格要求，共掺杂二氧化钛基高介电陶瓷有望满足这一需求，促进新能源汽车技术的进步。

本研究旨在深入探究共掺杂二氧化钛基高介电陶瓷的物性，通过系统研究不同掺杂元素、掺杂浓度以及制备工艺对陶瓷结构和性能的影响，揭示共掺杂二氧化钛基高介电陶瓷的性能调控机制，为其在电子领域的广泛应用提供理论基础和技术支持，推动电子产业的发展。

1.2二氧化钛基陶瓷概述

二氧化钛（TiO?）作为一种重要的无机化合物，在材料科学领域占据着举足轻重的地位。其具有三种结晶形态，分别为金红石型、锐钛矿型和板钛矿型。在这三种晶型中，金红石型的TiO?最为稳定，其晶体结构呈现出典型的四方晶系，Ti??离子位于晶胞的中心和顶点，而O2?离子则位于晶胞的棱边和面上，这种紧密的结构赋予了金红石型TiO?较高的硬度和化学稳定性。在电子陶瓷领域，金红石型TiO?更是制造高介电常数的陶瓷电容器、微晶活性材料钛酸盐电压电陶瓷的主要原料。

从产业化的角度来看，TiO?具有显著的优势。它来源广泛，在自然界中钛以多种矿物组分存在，其中有四种矿可用作制造二氧化钛的原料，分别是钛铁矿、金红石、锐钛矿和白钛石，全球钛矿储量丰富，约为8.17亿吨，这使得TiO?的获取相对容易。同时，TiO?的价格相对低廉，这为其大规模应用提供了经济基础，具有良好的推广使用价值。作为微波介质陶瓷的一种，TiO?基陶瓷有着可观的应用前景。

TiO?基陶瓷在电子领域展现出独特的优势。在电容器制造中，其作为介电材料，能够有效储存和释放电能。由于其介电常数较高，能够在较小的体积内实现较大的电容值，满足了电子设备小型化的需求。在通信设备中，TiO?基陶