Ｂｉ摻雜Ｂａ０．６Ｓｒ０．４ＴｉＯ３陶瓷的研究
2008-01-01 00:00:00王厚山
佛山陶瓷 2008年6期
摘要 本文采用傳統的陶瓷工藝合成了Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷，研究了Bi摻雜對材料參數ε、tanδ和E的影響，并探討了相關的摻雜改性機理。結果表明：適量的Bi 能夠改善陶瓷的介電性能，同時細化陶瓷的晶粒尺寸。
關鍵詞 陶瓷，Ba0.6Sr0.4TiO3，摻雜，介電性能
1前 言
鈦酸鍶鋇(BST)系列電子陶瓷是最近幾十年發展起來的新型功能陶瓷。由于該材料具有鐵電、壓電、高介電常數和正溫度系數效應等優異的電學性能，成為了制造高介電陶瓷的主要原材料。而通過添加MgO、ZnO、Bi2O3等摻雜物，可以改善BST陶瓷的性能。據報道[1]，摻雜一定量的Bi2O3可以使鈦酸鍶鋇燒結溫度降低100～200℃。本實驗根據有關文獻[2～4]的研究成果，通過摻雜Bi2O3，系統研究了Bi2O3的加入量對BST介質陶瓷的影響。
2 實 驗
2.1 配方組成
采用傳統的陶瓷粉體制備工藝制得了含摻雜的BST陶瓷，不同配方Bi4Ti3O12的添加量如表1所示。
2.2 性能測試
采用YY2814數字電橋測量儀測量出樣品在室溫、1kHz頻率下的介質損耗(tanδ)和電容值。并按照以下公式計算介電常數ε。
式中：
C——電容量，pF
d——樣品厚度，cm
D—— 樣品直徑，cm
采用CJ2672型耐壓測試儀測量陶瓷樣品的直流擊穿電壓。由于本實驗的樣品均為厚度均勻的圓片，因此，可直接按下式計算陶瓷片的直流擊穿強度。
E=V/h
式中：
V——陶瓷片的擊穿電壓
H——陶瓷片的厚度
3 結果與討論
3.1 Bi4Ti3O12摻雜對陶瓷介電性能的影響
采用分析純的Bi2O3和TiO2以Bi4Ti3O12的配比混合研磨混勻，混合料放在剛玉坩堝內在1050℃下保溫120min，固相反應合成鉍層化合物。合成的鈦酸鉍XRD譜圖如圖1所示，從圖中可以看出，所制得的粉體為純鈦酸鉍，無雜相生成。
從圖2、圖3可以看出：隨著Bi4Ti3O12含量的增加，陶瓷的介電常數一直下降，同時介電損耗也隨之減小。當w(Bi4Ti3O12)=8%時，陶瓷的低溫介電損耗較之w(Bi4Ti3O12)=6%的陶瓷樣品有了大約50% 的降低。同時四個樣品的耐壓強度分別為5.5kV/mm、5.3kV/mm、4.8kV/mm和4.2kV/mm，樣品的耐壓強度隨著Bi4Ti3O12含量的增加而逐漸減弱。這是因為Bi4Ti3O12作為一種燒結助劑摻入到BST陶瓷中，通過形成液相燒結來降低燒結溫度。由于液相燒結中顆粒或者晶粒的重排、強化接觸可提高晶界遷移率，使氣孔充分排出，促進晶粒發育，提高瓷體致密度，達到降低燒結溫度的目的。但是這種液相生成物一直保留在陶瓷微觀結構中，且其結構松散，本征極化性不高，它的存在反而會導致材料介電性能的下降。
3.2 Bi4Ti3O12摻雜對陶瓷結構和形貌的影響
從圖4可以發現，在BST陶瓷中存在Bi4Ti3O12雜相，雜相的衍射峰強度隨Bi4Ti3O12含量的增加而增大，同時降低主晶相的衍射強度，這表明Bi4Ti3O12摻雜有細化陶瓷晶粒的作用。
Bi4Ti3O12摻雜的陶瓷SEM照片如圖5所示。從圖中可以看出，Bi4Ti3O12除了有強烈的細晶作用外，也會造成氣孔率的上升，氣孔率的上升會導致陶瓷耐壓強度的下降。由于摻雜的Bi4Ti3O12粉體未經過與BST粉體預先合成，以游離態存在，加上Bi4Ti3O12的揮發點很低，因此Bi4Ti3O12在高溫下的揮發到起了反致密化作用。
4結 論
（1） 隨著Bi4Ti3O12含量的增加，介電常數和介電損耗隨之下降。同一配方隨著燒結溫度的不斷提高，介電常數有所升高，介電損耗有所下降；
（2） 隨著Bi4Ti3O12含量的增加，陶瓷的晶粒變小，氣孔率有所上升。樣品的耐壓強度隨著Bi4Ti3O12含量的增加而逐漸減弱。
參考文獻
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