玄兆坤， 魏淑麗

（1.河北民族師范學院，河北 承德 067000 2.承德廣播電視大學，河北 承德 067000）

鈦酸鋇摻雜鑭陶瓷的電學性質研究

玄兆坤1， 魏淑麗2

（1.河北民族師范學院，河北 承德 067000 2.承德廣播電視大學，河北 承德 067000）

許多文獻報道，在鈦酸鋇陶瓷中摻入稀土多酸微量元素（0.1-0.3%），會使鈦酸鋇陶瓷的電阻率降低[1][2][3]。將鈦酸鋇摻雜鑭陶瓷阻抗譜和純鈦酸鋇陶瓷阻抗譜相比較，發(fā)現(xiàn)摻入量為0.02%時的阻抗譜和鈦酸鋇陶瓷阻抗譜形狀大體一致，可以認為具有相同的物理過程。而當摻入量為0.01%時，圖譜的形狀發(fā)生了變化。據此，我們采用溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇及摻雜鑭的鈦酸鋇納米晶；利用交流阻抗譜測試其電學性質；主要對鈦酸鋇系電子陶瓷的晶粒電阻進行了更深的研究和探討，分析摻鑭0.01%碳酸鋇陶瓷阻抗譜，得出樣品阻抗譜所對應的最佳等效電路和參數值。

摻鑭鈦酸鋇；納米晶；阻抗譜

引言

自從20世紀40年代發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇的優(yōu)良的壓電和介電性能以來，關于鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇的制備和性能的研究已成為無機固體化學的一個熱點領域，很多國家的科研工作者在這方面都展開了廣泛而深入的研究，尤其是美國、日本和韓國始終處在領先地位。我國對鈦酸鋇的研究起步較晚，在這方面還有許多工作有待開展。目前，從研究角度來說，對鈦酸鋇的研究主要分為兩個方面；一方面是對鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇的制備方法的研究，重點是鈦酸鋇的形成機理或是粒子的性質。另一方面是對鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇電生性能的研究，而這方面研究的原料主要采用固相法合成，很少有關于液相法制備條件、燒結性能與電學性質之間的關系方面的研究。因此我們選擇鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇的液相制備和電學性質作為研究課題，采用溶膠—凝膠法制備鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇納米晶；利用交流阻抗譜測試其電學性質；用EUIVCRT軟件進行數據分析和解析，主要對鈦酸鋇系電子陶瓷的晶粒電阻的關系進行了研究和探討。

1 摻雜鑭鈦酸鋇系納米晶的制備

1.1 試劑規(guī)格

氯化鑭（分析純） 醋酸鋇（分析純）

冰醋酸（分析純） 鈦酸四丁酯（分析純）

乙醇（分析純，中國上海生產） 2%的氨水

1.2 儀器：CS多通道電化學工作站(四通道)

掃描電鏡：Hitachi(日立)S 4800—I型場發(fā)射掃描電子顯微鏡

1.3 摻雜鑭鈦酸鋇系納米晶的制備

準確稱取一定量的醋酸鋇，攪拌溶于冰醋酸中；將與醋酸鋇等摩爾的鈦酸四丁酯攪拌溶解于無水乙醇中，攪拌均勻，直到形成澄清透明的溶膠。在室溫下將鈦酸四丁酯溶膠傾倒在醋酸鋇溶膠中，攪拌0.5h，形成均勻透明的混合溶膠。

準確稱量鑭元素的氫氧化物 （定量的氯化鑭溶于蒸餾水中，逐滴加入氨水，直至沉淀不再生成，抽濾，并反復用蒸餾水洗滌，除去雜質離子。將濾餅在373K左右烘干，得到鑭元素的氫氧化物。）溶于50ml乙酸中，配成溶液備用。

制備摻雜鑭鈦酸鋇粉體時，在醋酸鋇溶膠中按預計比例摻入鑭元素的氫氧化物的醋酸溶液，在363K時回流2h，得到透明的凝膠，再在363-373K下真空干燥8-10h，得到黃色的干凝膠顆粒，研磨，過500目篩，得白色的干凝膠粉末，在973K時煅燒2h，制成摻雜的鈦酸鋇納米粉末。

1.4 稀土摻雜鈦酸鋇系列電子陶瓷的燒結

將得到的鈦酸鋇納米粉末反復研磨，再分別稱取 1g左右，在 3.5×103kg/cm2的壓力下，壓成13mm×2mm的圓片。陶瓷生片在1373K下保溫2h后退火，退火速率為10K／min。燒成的陶瓷片經被銀、燒銀后測定電學性質。

圖1是鈦酸鋇摻雜鑭陶瓷的SEM照片。可以看出，在燒陶過程中，鑭摻雜鈦酸鋇顆粒發(fā)生了明顯的長大，平均粒徑為150nm左右，而且有些地方還發(fā)生了燒結現(xiàn)象。這是因為鑭摻雜鈦酸鋇的原始顆粒要比未摻雜的鈦酸鋇的小，所以表面能也比較高，在相同的溫度下制陶時，更容易發(fā)生晶粒的長大和陶瓷的燒結現(xiàn)象。

2 摻雜鑭0.01%鈦酸鋇系陶瓷電學性質

2.1 摻雜鑭0.01%鈦酸鋇陶瓷的阻抗譜分析

利用CS多通道電化學工作站，用交流阻抗譜測試其電學性質；用EUIVCRT軟件進行數據分析和解析后，得到摻鑭0.01%鈦酸鋇陶瓷阻抗譜和純鈦酸鋇陶瓷阻抗譜在高頻區(qū)的分布態(tài)勢是一樣的，均有一個通過原點的、發(fā)生畸變的?。▓D2）；這兩個圖譜的區(qū)別在于在低頻區(qū)摻雜鑭鈦酸鋇陶瓷圖譜出現(xiàn)了另一個?。▓D3），而且這個弧的半徑要遠比高頻區(qū)的弧的半徑大。這說明在低頻區(qū)出現(xiàn)了一個阻值較大的電阻，這樣在阻抗譜中就出現(xiàn)了兩個弧。高頻區(qū)的弧仍是由介質的極化產生的，而低頻區(qū)的弧所表示的具體內容還需將陶瓷的結構和擬合出的最佳等效電路的形式結合在一起共同決定。

3 阻抗譜擬合分析

依然采用“試探法”對鑭摻雜鈦酸鋇陶瓷阻抗譜進行擬合，所采用的等效電路對應的電路碼分別為：（[R1Q2]Q3）、([R1Q2]C3)、（[R1Q2][R3C4]） 和 （[R1(R2Q3)]Q4）。表1列出了由這些等效電路擬合出的結果。

表1 制定等效電路對摻鑭0.01%鈦酸鋇陶瓷擬合結果

從以上擬合數據可以看出，等效電路（[R1(R2Q3)]Q4）擬合效果最好，圖4時擬合出的阻抗和Bode圖譜，實測圖譜和擬合圖譜均吻合較好。

分析有效電阻R2在等效電路中的位置，可知它和表示弛豫現(xiàn)象的有效電阻R1串聯(lián)，和表示電容的常相角元件Q4并聯(lián)，由此可以得知它表示的是陶瓷晶粒的電阻，所以，在低頻區(qū)的弧應為晶粒內部弧。這說明當鑭的滲入量為0.01%，晶粒電阻得到了一定程度的降低，已在阻抗譜中體現(xiàn)出來。證明了等效電路（[R1(R2Q3)]Q4）和純鈦酸鋇陶瓷的等效電路表示了相似的物理過程，即在陶瓷對交變電場的相應過程中，介質的極化還是過程的主要方面。

實驗結果表明，在鈦酸鋇中摻雜鑭的摻入量為0.01%時，使晶粒電阻降低了，為以后鈦酸鋇納米晶粒電阻的進一步降低，直至形成半導體奠定了一定的基礎，在鈦酸鋇納米晶粒中進一步改變鑭的摻雜量的研究中，可以進行更深一步的研究。

[1]趙俊英，崔斌，暢柱國，唐宗薰．介電溫度穩(wěn)定型鈦酸鋇基陶瓷的研究進展[J]．材料導報,2008，22（11）：21-25．

[2]呂文中，張道禮，黎步印等．高εr，微波介質陶瓷的結構、介電性質及其研究進展[J]．功能材料．2000，3l(6)：572-576．

[3]史美倫．交流阻抗譜及其應用[M]．國防工業(yè)出版社,2001.

O614.1

A

1005-1554（2011）02-0023-03

2010-12-07

玄兆坤（1974-），男，河北承德人，河北民族師范學院化學系講師。