Published July 28, 2023 | Version v1
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Investigation and structuring of the ceramic composite system barium strontium titanate and magnesium borate

Description

This work investigates the material system barium strontium titanate/magnesiumborate, with a particular focus regarding the occurrences during the sintering process and the dielectric properties. Intially, the structural and dielectric properties of conventional composites (homogeneous mixture) were measured dependant on the composition and sintering temperature. Noteworthy in particular was the observed diffusion of titanium from the BST into the MBO, mostly at the interfaces of the two phases. These processes did already occur at 1050 °C, the typical sintering temperature of the composite. At higher temperatures, a titanium-rich secondary phase formed. The dielectric properties featured a decline of relative permittivity, dielectric loss and tunability with increase of MBO as expected, but particularily around 70 Vol.-% MBO the samples showed a very good tunability to loss ratio. Two different structures were realized. First, layered structures were made, which feature low losses with low MBO content. Their realization proved to be difficult and the reduction of losses could not be realized for thicker intermediate layers. Furthermore, a BST micro network was made via fabrication of core-shell structured spray composites. The aim here was to obtain the formation of thin but percolated BST structures with a high overall MBO content, which is supposed to result in a good tunability to loss ratio. This was succesfully realized with a two step spray granulation process. The tunability of the structured composites surpassed that of the unstructured ones significantly while featuring similar losses. This composite materials is therefore very suitable for application in tunable electrical devices.

Abstract (German)

Diese Arbeit untersucht das Materialsystem Bariumstrontiumtitanat/Magnesiumborat (BST/MBO), mit einem Fokus auf die Geschehnisse beim Sintervorgang und den dielektrischen Eigenschaften. Hierbei wurden zunächst das Gefüge und die dielektrischen Eigenschaften konventioneller Komposite (homogen vermischt) in Abhängigkeit von Zusammensetzung und Sintertemperatur untersucht. Auffällig war hierbei die Diffusion von Titan aus dem BST in das MBO an den Grenzschichten der Phasen. Diese Prozesse traten bereits bei der üblichen Verdichtungstemperatur des Komposits von 1050 °C auf. Bei höheren Temperaturen kam es zur Ausbildung einer Titan-reichen Fremdphase. Die dielektrischen Eigenschaften zeigten eine Abnahme der relativen Permittivität, des dielektrischen Verlusts und der Steuerbarkeit mit der Zunahme des MBO Anteils. Proben nahe 70 Vol.-% MBO Anteil besaßen ein sehr gutes Steuerbarkeit/Verlust-Verhältnis. Es wurden zwei verschiedene Strukturierungen des Komposits realisiert. Zum einen wurden geschichtete Strukturen hergestellt, welche bei geringem MBO-Anteil sehr geringe dielektrische Verluste aufweisen. Deren Umsetzung gestaltete sich kompliziert und das Absinken des Verlusts konnte für dickere MBO-Zwischenschichten nicht erreicht werden. Des Weiteren wurde ein BST-Mikronetzwerk durch die Herstellung Core-Shell-strukturierter Sprühgranulate erzeugt. Die Absicht hierbei war die perkolierende Ausbildung dünner BST-Strukturen bei hohem MBO Anteil, so dass die Steuerbarkeit des Komposits gegen die Verluste optimiert wird. Dies gelang mittels eines zweistufigen Sprühgranulierungsprozesses. Die Steuerbarkeit der strukturierten Komposite waren bei vergleichbaren Verlusten denen der unstrukturierten Komposite stark überlegen und bergen somit großes Potential für die Verwendung in steuerbaren elektrischen Bauteilen.

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Original title (German)
Untersuchung und Strukturierung des keramischen Kompositsystems Bariumstrontiumtitanat und Magnesiumborat

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152 p.
Report number
INIS-DE--4147
University
Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
Degree
Dr.-Ing.