Untersuchung und Strukturierung des keramischen Kompositsystems Bariumstrontiumtitanat und Magnesiumborat

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
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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 70Vol.-% 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.

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. ... mehrAt
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 70Vol.-% 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.