程春華 凌味未

摘 要：采用標(biāo)準(zhǔn)陶瓷工藝，在900℃和950℃成功制備了可應(yīng)用于LTCC（低溫共燒陶瓷）工藝的摻雜CBS的BaTiO3/NiCuZn復(fù)合材料。對(duì)比研究了添加CBS前后復(fù)合體系磁性能和介電性能變化。發(fā)現(xiàn)CBS能夠減弱低頻段的磁導(dǎo)率頻散，并能在一定程度提高高頻段的Q值；同時(shí)，它還能明顯抑制界面極化對(duì)復(fù)合材料介電性能的影響，可使高頻段的介電損耗降低至0.001。

關(guān)鍵詞：鐵電/鐵磁復(fù)合材料；LTCC；CBS玻璃；磁性能；介電性能

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)對(duì)小型化和集成化的要求越來越高，這使得無源集成和無源/有源混合集成技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。

近幾年，LTCC（低溫共燒陶瓷）技術(shù)作為一種先進(jìn)的三維互聯(lián)封裝技術(shù)得到了更加廣泛的應(yīng)用，針對(duì)LTCC材料多元化和系列化的研究也逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)。另一方面，鐵電/鐵磁復(fù)合材料因其具有優(yōu)良的介電性能和磁性能，在無源集成、抗電磁干擾、器件小型化等領(lǐng)域有很大的潛力。

BaTiO3/NiCuZn鐵氧體是研究得較多的一類鐵電/鐵磁復(fù)合體系，因?yàn)锽aTiO3陶瓷具有優(yōu)良的介電性能[ 1 ]，并已商業(yè)化，而NiCuZn也具有高磁導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性和良好的頻率特性[ 2 ]。所以，本文繼續(xù)選用這一復(fù)合體系作為研究對(duì)象，同時(shí)，為了使體系具有較低的磁損耗和介電損耗，將兩相質(zhì)量比控制為10：1。

玻璃是低溫?zé)Y(jié)研究中常用的燒結(jié)助劑，在LTCC材料體系中也占有重要的地位，常用的類型有CBS（CaO-B2O3-SiO2），BBSZ，硼硅玻璃[ 4 ]等。其中，CBS玻璃不僅對(duì)NiCuZn鐵氧體有較好的助燒作用，還被廣泛用于CaTiO3，BaTiO3和Al2O3等陶瓷的低溫?zé)Y(jié)或改性研究。

因此，本文選用CBS玻璃作為BaTiO3/NiCuZn復(fù)合體系的低溫?zé)Y(jié)助劑。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

按照分子式Ni0.06Cu0.3Zn0.64Fe2O4稱取分析純的氧化亞鎳，氧化鋅，氧化銅，氧化鐵粉體混合均勻，利用球磨機(jī)濕磨13h，烘干，并于800℃在空氣中預(yù)燒3小時(shí)得到鐵氧體預(yù)燒粉。

以CaCO3，H3BO3，SiO2為原料，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)47.8%CaO，30.2%B2O3，

22.0%SiO2的比例配料，混合后濕磨24小時(shí)，取出烘干。將粉體放入燒結(jié)爐中， 1300℃保溫1個(gè)小時(shí)，開爐取出，將液態(tài)熔融物驟冷得到CBS玻璃，將玻璃磨成粉待用。

按照質(zhì)量比10：1分別稱取預(yù)燒粉和鈦酸鋇混合，再分別加入占上述混合粉體質(zhì)量的0%，10%的CBS玻璃粉體?；旌戏垠w濕磨13小時(shí)，烘干，添加7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）聚乙烯醇造粒，100目篩網(wǎng)過篩，在5Mpa壓力，成型得到圓環(huán)和圓片狀生坯，最后生坯樣品在900℃，950℃煅燒3小時(shí)得到燒結(jié)樣品。

樣品的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)由TH2826A阻抗分析儀在20HZ～2MHZ的頻率范圍測(cè)得。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁性能對(duì)比

圖1是兩個(gè)溫度不同CBS含量的復(fù)合材料磁導(dǎo)率隨頻率的變化曲線。

在較低頻段，950℃兩個(gè)樣品和900℃玻璃摻雜樣品都出現(xiàn)了不同程度的頻散現(xiàn)象，這與Ghodake研究的NiCuZn鐵氧體磁譜時(shí)發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致[ 4 ]，主要是磁疇壁移動(dòng)機(jī)制對(duì)磁導(dǎo)率產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。對(duì)兩個(gè)溫度點(diǎn)的燒結(jié)樣品，加入CBS后都使頻散現(xiàn)象都有不同程度的減弱，尤其是900℃，基本消除了頻散。

其次，隨著燒結(jié)溫度升高，未摻雜樣品的磁導(dǎo)率有明顯升高。對(duì)同一燒結(jié)溫度，加入CBS都會(huì)導(dǎo)致磁導(dǎo)率有不同程度下降，特別是950℃燒結(jié)的樣品，這說明添加CBS對(duì)復(fù)合體系的磁導(dǎo)率有抑制作用。

圖2是兩個(gè)溫度不同CBS含量的復(fù)合材料品質(zhì)因數(shù)隨頻率的變化曲線。首先，高燒結(jié)溫度的樣品的品質(zhì)因數(shù)都明顯高于低燒結(jié)溫度的樣品，這一現(xiàn)象在高頻段更為明顯。其次，對(duì)900℃燒結(jié)的樣品，加入CBS后品質(zhì)因數(shù)的峰值有大幅提升；而對(duì)950℃燒結(jié)的樣品，添加CBS使其品質(zhì)因數(shù)峰值向高頻移動(dòng)。所以，添加CBS有助于改善復(fù)合體系的高頻磁性能。

2.2 介電性能對(duì)比

圖3是兩個(gè)溫度不同CBS含量的復(fù)合材料介電常數(shù)隨頻率的變化曲線。在10kHz以下，不添加CBS的樣品的介電常數(shù)值有一個(gè)驟降的過程，這是由Maxwell-Wagner型界面極化導(dǎo)致，而添加了CBS的兩個(gè)樣品都沒有類似現(xiàn)象，故添加CBS能有效的抑制界面極化。此外，在整個(gè)測(cè)試的頻率范圍內(nèi)，添加CBS的樣品的介電常數(shù)隨頻率變化較小，有更寬的應(yīng)用頻段。圖3的內(nèi)插圖是測(cè)試樣品在1MHz～ 2MHz的介電譜放大圖，可以看出，燒結(jié)溫度升高，能夠顯著提升樣品的介電常數(shù)。對(duì)950℃燒結(jié)的樣品，添加CBS介電常數(shù)有所下降，而900℃燒結(jié)的樣品這一現(xiàn)象不明顯。

圖4是兩個(gè)溫度不同CBS含量的復(fù)合材料介電損耗隨頻率的變化曲線。可見，加入CBS能夠有效的降低復(fù)合材料的介電損耗，特別是低頻范圍的損耗。

圖4的內(nèi)插圖是四個(gè)樣品在1MHz～2MHz的介電損耗變化的放大圖，可以看出，燒結(jié)溫度較高的樣品介電損耗也較高，但加入CBS后高頻段介電損耗也大幅下降，在部分高頻點(diǎn)損耗值可降至0.001。

3 結(jié)論

1）加入CBS能夠抑制磁譜中的頻散現(xiàn)象，但會(huì)在一定程度降低復(fù)合體系的磁性能。

2）升高燒結(jié)溫度和添加CBS都能有效的提升體系品質(zhì)因數(shù)，而添加CBS對(duì)高頻磁性能的改善更明顯。

3）加入CBS能有效消除界面極化現(xiàn)象，但介電常數(shù)有一定幅度下降。

4）加入CBS能大幅降低復(fù)合材料的介電損耗，在高頻段最低可降至0.001。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖長江，朱玲艷，張恒濤.Nb2O5對(duì)BaTiO3陶瓷性能的影響.硅酸鹽通報(bào)，2014，1.

[2] 代建清，周小兵，陳輝.低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體粉體的制備與磁性能.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2016，6.

[3] 凌味未.低溫共燒（LTCC）鐵電/鐵磁復(fù)合材料與器件研究，2011：14-35.

[4] Ren Luchao，Luo Xianfu， Hu Lisong. Synthesis and characterization of LTCC compositions with middle permittivity based on CaO-B2O3-SiO2 glass/CaTiO3 system. JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY.2（2017）619-623.

致謝：

感謝國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.61201094），四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2016GZ0285）和四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（No.15ZA0188）對(duì)本文工作的資助。