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Highly Reliable BaTiO3‐Polyphenylene Oxide Nanocomposite Dielectrics via Cold Sintering

材料科学 烧结 复合材料 电介质 陶瓷 纳米复合材料 介电常数 钛酸钡 微观结构 晶界 氧化物 冶金 光电子学
作者
Takao Sada,Kosuke Tsuji,Arnaud Ndayishimiye,Zhongming Fan,Yoshihiro Fujioka,Clive A. Randall
出处
期刊:Advanced Materials Interfaces [Wiley]
卷期号:8 (18) 被引量:20
标识
DOI:10.1002/admi.202100963
摘要

Abstract In the design of the ceramic capacitor, high capacitance, temperature stability, and high operating voltage must be balanced against the failure mechanisms of degradation. Cold sintering is used to develop dense BaTiO 3 – poly (p‐phenylene oxide) (PPO) nanocomposites with PPO throughout the grain boundary microstructure. To obtain the desired PPO distribution, a process is introduced that distributes the polymers on the BaTiO 3 powders prior to the cold sintering process. With the cold sintering enabled by a Ba(OH) 2 ·8H 2 O transient phase, theoretical densities ≈95% could be obtained at a sintering temperature ≈225 °C with up to 15 vol% PPO content. The rationale is to influence the local electric field distribution within the dielectric, to maximize resistivity (10 13 –10 14 Ω cm) and degradation resistance, minimize temperature dependence of permittivity, and minimize the field dependent permittivity. All these properties are investigated as a function of the volume fraction of PPO. The magnitude of the permittivity follows a logarithmic mixing law: 1460 to 680 for the nanocomposite with 5 to 15 vol% PPO content, respectively, at room temperature. The BaTiO 3 ‐PPO composite dielectrics are contrasted under accelerated lifetime testing conditions, noting superior resistance toward degradation kinetics, indicating an important breakthrough opportunity towards the development of high reliability dielectrics.
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