SiO2添加量對CZP陶瓷力學(xué)及介電性能影響

摘 要：本文研究了SiO2添加量對CZP（CaZr4P6O24）陶瓷力學(xué)性能和介電性能的影響。通過XRD分析、顯微結(jié)構(gòu)觀察和抗彎強(qiáng)度測試等手段，探討了不同SiO2添加量下CZP陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)變化和力學(xué)性能表現(xiàn)。結(jié)果表明，適量SiO2的加入可以顯著提高CZP陶瓷的抗彎強(qiáng)度，而過量或過少的SiO2添加都不利于陶瓷力學(xué)性能的提升。SiO2作為晶粒生長抑制劑，可通過控制SiO2的添加量來調(diào)控CZP陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。本研究在CZP粉料中加入晶粒生長抑制劑SiO2的添加量為3wt%時(shí)，CZP陶瓷晶粒最小，力學(xué)性能最好，同時(shí)介質(zhì)損耗值最小。

關(guān)鍵詞：CZP陶瓷；共沉淀法；介電性能

1 引言

CZP陶瓷作為一種重要的電子陶瓷材料，在高頻、高溫、高功率等極端環(huán)境下具有廣泛的應(yīng)用前景。研究已表明CZP磷酸鹽陶瓷具有低的熱膨脹性和良好的抗熱沖擊性[1-2]，在航空器表面涂層等領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用 [3]。由于NZP族化合物具有廣泛的離子取代性，NZP型磷酸鹽陶瓷具有較低的熱膨脹系數(shù)[4]。通過認(rèn)真選擇組成可以獲得所要求的溫度范圍內(nèi)的零膨脹陶瓷材料。

然而，CZP陶瓷的燒結(jié)過程中晶粒的長大和燒結(jié)致密化是影響其性能的關(guān)鍵因素。為了優(yōu)化CZP陶瓷的性能，需采用SiO2作為晶粒生長抑制劑，通過控制SiO2的添加量來調(diào)控CZP陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

由于加入的燒結(jié)助劑ZnO和MgO不僅可以促進(jìn)燒結(jié)的致密化，同時(shí)也促進(jìn)了晶粒的生長，如圖1， SiO2（3wt%）加入前后CZP陶瓷微觀形貌變化。SiO2 加入前，晶粒平均尺寸在5μm左右，加入SiO2后，晶粒平均尺寸在3μm左右。晶粒異常長大，影響陶瓷的力學(xué)性能，晶粒細(xì)小則陶瓷的力學(xué)性能良好。

本研究在CZP粉料中加入了晶粒生長抑制劑SiO2（3wt%）來控制晶粒的粒徑。 SiO2的添加量要適中，添加量太少起不到作用，太多占據(jù)晶界，燒結(jié)不致密。

2試驗(yàn)工藝

本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)工藝如圖2所示：

本試驗(yàn)仍直接共沉淀法制備的CaZr4P6O24陶瓷粉體為研究對象[5]，SiO2的添加量為1wt%—5wt%，每種配方均添加3 wt%的ZnO作為助燒劑。具體見表1試驗(yàn)配方。

CZP陶瓷粉體添加5 wt% PVA水溶液造粒，在100MPa的壓力下干壓成坯體。[6]坯體在1100℃下無壓燒結(jié)，升溫速率為5℃/min，保溫時(shí)間為2h。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 XRD分析

圖3為SiO2及不同SiO2添加量的CZP陶瓷XRD圖譜。從圖3的衍射圖譜可以看出，所添加的晶粒抑制劑SiO2為無定形狀態(tài)，衍射圖譜上只有一個(gè)饅頭峰出現(xiàn)，所以SiO2的加入不會(huì)使CZP陶瓷XRD圖譜出現(xiàn)額外衍射峰。添加1wt%—5%wt SiO2的CZP陶瓷的衍射峰都很尖銳，說明五種配方的CZP陶瓷結(jié)晶良好。其中添加3wt%SiO2的CZP陶瓷衍射峰值最大，說明該配方的CZP陶瓷燒結(jié)情況最好，增加或減小SiO2的添加量都會(huì)影響陶瓷的燒結(jié)。

3.2 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖4為不同SiO2添加量的CZP陶瓷SEM圖像。從圖4（a）中可以看出，添加1wt%SiO2的CZP陶瓷存在一些大晶粒，說明SiO2參量太少?zèng)]有起到抑制晶粒的作用，大晶粒的存在導(dǎo)致材料的強(qiáng)度值減小。從圖4（b）中可以看出，添加2wt%SiO2的CZP陶瓷有一定的孔洞存在，影響材料的力學(xué)性能。從圖4（c）中可以看出，添加3wt%SiO2的CZP陶瓷致密，有晶粒拔出現(xiàn)象。從圖4（d）中可以看出，添加4wt%SiO2的CZP陶瓷有大孔洞存在。從圖4（e）中可以看出，添加5wt%SiO2的CZP陶瓷晶粒大小不均勻，還有添加劑集中現(xiàn)象，說明過量的SiO2加入對晶粒抑制作用不好，并且還會(huì)出現(xiàn)添加劑“富集”現(xiàn)象。

3.3 抗彎強(qiáng)度分析

圖5為不同SiO2添加量的CZP陶瓷的抗彎強(qiáng)度。由圖5可以看出，適量SiO2晶粒抑制劑的加入很大程度上提高了CZP陶瓷的抗彎強(qiáng)度，以添加3wt% SiO2的CZP陶瓷的抗彎強(qiáng)度值最大，為74.96MPa，而當(dāng)SiO2的添加量增加或減小時(shí)，陶瓷的抗彎強(qiáng)度值均下降。這表明添加劑的用量過高或過低都不利于力學(xué)性能的提高，對于以SiO2為晶粒抑制劑的CZP陶瓷來說，SiO2的加入量不能過高，否則SiO2會(huì)造成局部富集，而SiO2加入量過少則不能有效的起到作用，都不能很好的抑制晶粒的生長。

從圖5也可以看出這樣的規(guī)律，當(dāng)SiO2的添加量在1wt%，陶瓷的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為50MPa，結(jié)合顯微結(jié)構(gòu)也可以看出，陶瓷體晶粒生長很大，抗彎強(qiáng)度值下降。說明只加入1wt%的SiO2時(shí)，SiO2不能有效地抑制晶粒的生長，晶粒異常長大，力學(xué)性能降低。當(dāng)SiO2的添加量在5wt%時(shí)，CZP陶瓷的抗彎強(qiáng)度值下降到了52MPa，說明過量SiO2會(huì)造成局部富集，同樣對陶瓷體的致密不利，也導(dǎo)致了力學(xué)性能的下降。

3.4介電性能分析

圖6為不同SiO2添加量的CZP陶瓷介電性能。 CZP陶瓷的介電常數(shù)在SiO2添加量為3wt%時(shí)最大，SiO2的添加量增加或減小，陶瓷的介電常數(shù)都減小。介質(zhì)損耗值在SiO2添加量為3wt%時(shí)最小，為0.0058。

本研究陶瓷體的介電常數(shù)主要與添加SiO2百分比和氣孔率相關(guān)，因?yàn)镾iO2的介電常數(shù)小于CZP，所以，在不考慮氣孔影響的條件下，SiO2添加量越多，根據(jù)介電常數(shù)的復(fù)合原理，陶瓷體整體的介電常數(shù)應(yīng)該越小。而氣孔越多，陶瓷的介電常數(shù)也越小。所以分析本實(shí)驗(yàn)的五個(gè)配方，不考慮氣孔的影響，介電常數(shù)應(yīng)該逐漸下降，當(dāng)SiO2的添加量在1 wt%—3 wt%時(shí)，陶瓷體的氣孔率基本沒有太大變化。所以陶瓷體的介電常數(shù)下降，而再次增大SiO2的添加量時(shí)，氣孔增多，介電常數(shù)下降更明顯。

而本研究的陶瓷體介質(zhì)損耗值隨著SiO2的添加量增大而逐漸增大，其原因是SiO2加入后通常聚集在晶界上，晶界上物質(zhì)的作用力很弱，在電導(dǎo)和極化過程中，這樣的帶電質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，由于與外電場作用不同步，因而吸收了電場能量并把它傳給周圍的“分子”，是電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺肿印钡臒嵴駝?dòng)能，把能量消耗在使電介質(zhì)發(fā)熱效應(yīng)上。

4 結(jié)論

（1）對于CZP陶瓷，SiO2是較好的晶粒抑制劑，能較好的防止晶粒的異常長大，添加3wt% SiO2的CZP陶瓷（同時(shí)添加3wt%的ZnO）的力學(xué)性能最好，為74.96 MPa，而當(dāng)SiO2的添加量增加或減小時(shí)，陶瓷的力學(xué)性能均下降。

（2）陶瓷的介電常數(shù)在SiO2添加量為3wt%時(shí)最大，SiO2的添加量增加或減小，陶瓷的介電常數(shù)都減小。介質(zhì)損耗值在SiO2添加量為3wt%時(shí)最小，為0.0058。

（3）當(dāng)SiO2的添加量在3wt%時(shí)，CZP陶瓷晶粒最小，力學(xué)性能最好，同時(shí)介質(zhì)損耗值最小。

參考文獻(xiàn)

[1] R.Brochu， M.El-Yacoubi， A.serghini， et al. Crystal chemistry and thermal expansion of Cd0.5Zr2（PO4）3 and Cd0.5Sr0.5Zr2（PO4）3 ceramics. Materials Research Bulletin， 1997， 32（1）： 15-23.

[2] 汪洋，周媛媛，李魁，劉瑞祥，周長靈，劉福田.MgO燒結(jié)助劑對CaZr4（PO4）6陶瓷力學(xué)性能及熱膨脹系數(shù)的影響[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2019，40（05）：354-359.

[3]Susumu nakayma， katsuhiko itoh. Immobilization technique of cesium to hzr2（Po4）3 using an autoclave. journal of nuclear science and technology， 2003， 40（8）： 631-633.

[4] S.Y.Limaye， D.K.Agrawal and H.A.Mckinstry. Synthesis， Sintering and thermal expansion of MZr4P6O24 （M=Mg， Ca， Sr， Ba ） . J.Am.Ceram.Soc， 1987， 10： c232-c236

[5] 韓龍，侯憲欽.燒結(jié)工藝對CaZr4P6O（24）陶瓷性能的影響[J].佛山陶瓷，2008（09）：16-19.

[6]韓龍.MgO添加量對CaZr4（PO4）6陶瓷力學(xué)及介電性能影響研究[J].中國陶瓷，2010，46（01）：22-24.

Effect of SiO2 addition on mechanical and dielectric properties of CZP ceramics

HAN Long，LIANG Hui

（Binzhou Polytechnic， Binzhou 256603）

Abstract： The effects of SiO2 addition on the mechanical and dielectric properties of CZP （CaZr4P6O24） ceramics were studied. The microstructure and mechanical properties of CZP ceramics with different SiO2 content were e4aa0dbad02895f04be89bf71bdc5ef2ddbc1eb41f8814627ea5a5a0aeff48f9investigated by XRD analysis， microstructure observation and bending strength test. The results show that the addition of appropriate amount of SiO2 can significantly improve the bending strength of CZP ceramics， while excessive or too little SiO2 addition is not conducive to the improvement of mechanical properties of ceramics. As a grain growth inhibitor， SiO2 can control the microstructure and mechanical properties of CZP ceramics by controlling the amount of SiO2. In this study， when the addition of grain growth inhibitor SiO2 in the CZP powder is 3wt%， the CZP ceramic has the smallest grain size， the best mechanical properties， and the minimum dielectric loss.

Keywords： CZP ceramics；Coprecipitation method；Dielectric properties