摘要 本文采用傳統(tǒng)的陶瓷工藝合成了Ba_0.6Sr_0.4TiO₃陶瓷，研究了Bi摻雜對材料參數(shù)ε、tanδ和E的影響，并探討了相關(guān)的摻雜改性機理。結(jié)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(guān)鍵詞 陶瓷，Ba_0.6Sr_0.4TiO₃，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(fā)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(shù)和正溫度系數(shù)效應(yīng)等優(yōu)異的電學(xué)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(jù)報道[1]，摻雜一定量的Bi₂O₃可以使鈦酸鍶鋇燒結(jié)溫度降低100～200℃。本實驗根據(jù)有關(guān)文獻[2～4]的研究成果，通過摻雜Bi₂O₃，系統(tǒng)研究了Bi₂O₃的加入量對BST介質(zhì)陶瓷的影響。

2 實 驗

2.1 配方組成

采用傳統(tǒng)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(shù)字電橋測量儀測量出樣品在室溫、1kHz頻率下的介質(zhì)損耗(tanδ)和電容值。并按照以下公式計算介電常數(shù)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(jié)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(nèi)在1050℃下保溫120min，固相反應(yīng)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(shù)一直下降，同時介電損耗也隨之減小。當(dāng)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(jié)助劑摻入到BST陶瓷中，通過形成液相燒結(jié)來降低燒結(jié)溫度。由于液相燒結(jié)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(fā)育，提高瓷體致密度，達到降低燒結(jié)溫度的目的。但是這種液相生成物一直保留在陶瓷微觀結(jié)構(gòu)中，且其結(jié)構(gòu)松散，本征極化性不高，它的存在反而會導(dǎo)致材料介電性能的下降。

3.2 Bi₄Ti₃O₁₂摻雜對陶瓷結(jié)構(gòu)和形貌的影響

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)致陶瓷耐壓強度的下降。由于摻雜的Bi₄Ti₃O₁₂粉體未經(jīng)過與BST粉體預(yù)先合成，以游離態(tài)存在，加上Bi₄Ti₃O₁₂的揮發(fā)點很低，因此Bi₄Ti₃O₁₂在高溫下的揮發(fā)到起了反致密化作用。

4結(jié) 論

（1） 隨著Bi₄Ti₃O₁₂含量的增加，介電常數(shù)和介電損耗隨之下降。同一配方隨著燒結(jié)溫度的不斷提高，介電常數(shù)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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