低溫燒結Sn取代Bi-CVG鐵氧體的介電性能研究

李　寧（榆林職業技術學院，陜西　榆林　719000）

低溫燒結Sn取代Bi-CVG鐵氧體的介電性能研究

李寧
（榆林職業技術學院，陜西榆林719000）

摘要：本文利用傳統固相燒結法制備了Snx:Bi-CVG鐵氧體材料，并對低溫燒結下的微觀結構及介電性能進行了研究。結果表明，組分x=0.4 的Snx:Bi-CVG試樣在1075℃燒結6h，燒結體密度達到最大值，可生成單一石榴石相，且介電性能良好：當極化場頻率小于諧振頻率范圍時，Sn0.4：Bi-CVG試樣的介電常數ε′在12.6-14.7范圍內，當極化場頻率大于共振頻率范圍時，介電常數ε′在9.7-11.7范圍內，介電損耗tgδ大約在2.0×10-4-7.2×10-3范圍內變化。

關鍵字：YIG ;鐵氧體;低溫燒結;介電性能

1　引言

釔鐵石榴石(Y3Fe5O12，簡稱YIG）鐵氧體材料因其具有優良的旋磁性能而廣泛應用于諸如環行器、振蕩器和移相器等微波器件的制造[1]。但是，YIG鐵氧體由于燒結溫度高（＞1400℃），導致無法與高導電材料例如Ag-Pd合金（1145℃）實現共燒。早些一些研究工作者[2--5]通過添加CaO-V2O5或Bi2O3-CaO-V2O5組分使YIG鐵氧體燒結溫度從1400℃降低到1100℃。后又有學者在Bi2O3-CaO-V2O5摻雜的基礎上，研究了添加In2O3的Bi-CVG鐵氧體材料，并發現在1075℃燒結溫度下磁性能優良[6]。但是In2O3原料價格昂貴。我們先前研究了SnO2對Bi-CVG鐵氧體材料微結構及磁性能的影響，獲得優良磁性能的石榴石結構材料[7]。本文在此基礎上對Sn取代Bi-CVG材料的介電性能和機理進行了進一步討論。

2　實驗方法

本實驗采用傳統固相燒結工藝，制備了組分為{Bi0.75Y1.05-xCa1.2+x} [Fe2-xS nx](Fe2.4V0.6)O12(Snx:Bi-CVG）系列鐵氧體材料，其原料為Bi2O3（99.50%）、Fe2O3（99.95%）、CaCO3（99.50%）、V2O5（99.00%）、SnO2（99.99%）、Y2O3（99.95%）。具體工藝如下：將原料按上述化學計量（x=0.0, 0.2, 0.3,0.4, 0.5, 0.6）換算配比并進行混合球磨；經干燥、950℃×4h預燒后，進行二次球磨6h；用PVA(濃度10%）黏合劑對混干后制備好的粉末進行造粒，在40,000N/m2壓強下將混合料壓成16mm×8mm×（1～4）mm薄片，然后在烘箱里100℃干燥2h，并在1000℃～1100℃燒結6h后，隨爐冷卻。

采用排水法測量樣品密度ρ；用日本島津XRD－7000S型X射線衍射儀（XRD，Cu Kα，λ=0.154nm）分析樣品的物相組成；采用日本電子（JEOL）JSM－6700F型掃描電鏡(SEM)觀察試樣的微觀形貌；采用AgilentE8362B網絡分析儀在12～15.2GHz微波范圍內測樣品介電性能。

圖1　Snx:Bi-CVG樣品在不同燒結溫度下的密度

3　結果與討論

3.1燒結性能

圖1為Snx:Bi-CVG試樣的密度隨燒結溫度的變化關系。由圖表明，對于相同組分的樣品密度隨著燒結溫度升高而逐漸增大，到1075℃后繼續升高燒結溫度，其密度值變化不明顯甚至有所減小。因此我們認為，Sn摻雜Bi-CVG樣品的燒結溫度在1075℃較佳。另外，對于同一燒結溫度下的樣品密度隨著x值的增大，呈先增大后減小趨勢。其中，燒結溫度為1075℃的Sn0.4:Bi-CVG樣品密度值為最大。

3.2XRD分析

不同Sn摻雜量的Bi-CVG樣品在1075℃燒結溫度下的XRD譜如圖2所示。由圖可知：在該燒結溫度下，摻雜一定Sn含量(0.2≤x≤0.6)并不會改變其晶體結構，均可生成單一石榴石相。另外，從圖中可以看出，Sn摻雜量為x=0.4的樣品比其他含量樣品的特征峰更尖銳，強度更強，說明成相更完全。

圖2　不同Sn摻雜量(0.2≤x≤0.6)的Bi-CVG樣品在1075℃燒結溫度下的XRD圖譜

3.3SEM分析

x=0.4的Snx:Bi-CVG試樣在不同燒結溫度下的微觀形貌如圖3所示。可以看出，試樣隨著燒結溫度逐漸升高，其結晶逐漸完全，晶粒均勻長大，顯微結構更加致密。但是相比于圖3（d），圖3（e）晶粒出現異常長大，且尺寸分布不均勻，這可能是試樣過燒的緣故。因此我們認為，x=0.4的Snx:Bi-CVG樣品，其燒結溫度為1075℃時較佳。

圖3　x=0.4的Snx:Bi-CVG試樣在不同燒結溫度下的微觀形貌圖

3.4介電性能

圖4和圖5分別為Sn組分x=0與x=0.4的Snx:Bi-CVG試樣在12～15.2GHz微波頻率范圍內的介電常數ε′和損耗角正切值tgδ隨頻率的變化曲線圖。Snx:Bi-CVG鐵氧體在該頻率范圍內出現了諧振峰。這主要是因為多晶石榴石鐵氧體在超高頻極化場的介電行為與晶格振動緊密相關，當極化頻率達到晶格振動頻率時，后者試圖打亂極化，故在很窄的頻率范圍內出現阻尼諧振，這種阻尼主要是由于石榴石結構的不完善和雜質的存在導致的[8-11]。由于Sn4+離子半徑(0.071nm)與取代的Fe3+(0.061nm)半徑不同，導致晶格結構略有變化，故諧振峰發生了平移。

由圖4可以看出，在諧振頻率范圍之外，與未摻雜試樣相比，Sn摻雜Bi-CVG試樣介電常數ε′略為偏小，但是不明顯。這是因為在微波頻率下，YIG鐵氧體介電常數ε′變化主要取決于極化能力更大的Fe2+離子含量變化。本實驗中，由于Sn4+離子取代部分Fe3+離子，這將導致Fe3+離子向Fe2+離子轉化的幾率變小，故ε′將隨Fe2+含量降低而略為減小。整體上看，Sn0.4：Bi-CVG樣品的介電常數ε′在12.6～14.7（極化場頻率小于諧振頻率段時）和9.7～11.7（極化場頻率大于共振頻率段時）范圍內變化，介電損耗tgδ大約在1.1×10-3～9.2×10-3范圍內變化。

4小結

以Bi2O3、Fe2O3、CaCO3、V2O5、SnO2、Y2O3為原料，采用傳統固相燒結法制備了Snx:Bi-CVG鐵氧體。實驗結果表明，（1）組分x=0.4時的試樣在1075℃燒結6h，燒結體密度達到最大值，其燒結溫度可與Ag-Pd合金（1145℃）實現共燒。（2）在1075℃燒結溫度下，Bi-CVG樣品摻雜一定Sn含量(0.2≤x≤0.6)并不會改變其晶體結構，均可生成單一石榴石相。（3）Sn0.4:Bi-CVG試樣在1075℃燒結后介電性能良好：當極化場頻率小于諧振頻率范圍時，Sn0.4：Bi-CVG試樣的介電常數ε′在12.6～14.7范圍內，當極化場頻率大于共振頻率范圍時，介電常數ε′在9.7～11.7范圍內，介電損耗tgδ大約在2.0×10-4～7.2×10-3范圍內變化。

圖4　4　x=0與x=0.4的Snx:Bi-CVG樣品的介電常數ε′隨頻率的變化曲線

圖5　5　x=0與x=0.4的Snx:Bi-CVG樣品的介電損耗tgδ隨頻率的變化曲線

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作者簡介：李寧（1985-），男，陜西榆林人，榆林職業技術學院助教。