氣氛燒結(jié)鈦酸鍶鋇陶瓷微觀組織結(jié)構(gòu)研究

段 冰，羅 毅，徐 浩

（宜賓紅星電子有限公司 四川 宜賓 644604）

1 引言

鈦酸鍶鋇材料以其具有高介電常數(shù)、低介電損耗、大調(diào)諧率、簡(jiǎn)單的制造工藝而受到了廣泛的歡迎[1-3]。因此吸引了眾多研究者對(duì)BST陶瓷展開了研究。

Rhim等[4]通過(guò)添加0.5wt%B2O3使BST陶瓷的燒結(jié)溫度降到1150℃。Matjaz等[5]采用0.4wt%Li2O摻雜BST陶瓷，燒結(jié)溫度可以降低到900℃，但是會(huì)在材料中產(chǎn)生少量雜相。程華容等[6]在BaxSr1-xTiO3中摻雜適量B2O3后與未摻雜相同成分BST陶瓷燒結(jié)溫度相比，燒結(jié)溫度可降低150℃。丑修建等[7]對(duì)Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷進(jìn)行了B2O3-Li2O復(fù)合摻雜，其燒結(jié)溫度可降至975℃，但是需較長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間。L.C.Sengupta等[8]系統(tǒng)研究了Al2O3、ZrO2和MgO的添加對(duì)BST材料介電性能的影響，發(fā)現(xiàn)BST/MgO材料的介電常數(shù)大幅降低，綜合介電性能較好。對(duì)于BST介質(zhì)材料，高頻損耗會(huì)影響器件的正常運(yùn)行，降低器件的靈敏度。因此，如何減小高頻損耗一直是BST可調(diào)性材料的研究熱點(diǎn)之一，而BST陶瓷的介電損耗與燒結(jié)成瓷后的微觀組織結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、缺陷等有著密切的聯(lián)系，因此，本文擬通過(guò)氣氛燒結(jié)來(lái)進(jìn)一步改善BST陶瓷的微觀組織結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)制備與物理性能測(cè)試

以BaCO3、SrCO3和TiO2為原料，采用氬氣保護(hù)燒結(jié)合成BaxSr1-xTiO3(x=0.2、0.3、0.4、0.45）。具體制備工藝如下：按照BaCO3：SrCO3：TiO2的化學(xué)計(jì)量來(lái)稱量。將稱好的原料放入球磨罐當(dāng)中，加入酒精作為球磨介質(zhì)，球磨12 h后將混合均勻的漿料在烘箱中烘干，用200目的篩網(wǎng)過(guò)篩，在1150℃氣氛保護(hù)爐里保溫2 h，合成BST粉體。將預(yù)燒的BST粉體，放入球磨罐中，加入酒精介質(zhì)，球磨12 h。取出，在50℃下烘干，最后加入PVA進(jìn)行造粒。造粒完成后，在模具直徑為Ф12 mm下進(jìn)行壓片，壓制成Ф12×1 mm的圓片式樣，將生坯升溫至500℃，保溫30 min進(jìn)行排膠。將排完膠的坯料分別在1380℃、1400℃、1420℃、1450℃氣氛燒結(jié)爐中燒結(jié)成Ba0.2Sr0.8TiO3、Ba0.3Sr0.7TiO3、Ba0.4Sr0.6TiO3、Ba0.45Sr0.55TiO3陶瓷，分別簡(jiǎn)寫為BSTx=0.2、BSTx=0.3、BSTx=0.4、BSTx=0.45。

采用X射線衍射技術(shù)分析并測(cè)定試樣的相組成；采用日本電子公司的JEM5800型掃描電子顯微鏡觀察微觀組織結(jié)構(gòu)；采用英國(guó)牛津ISIS能譜分析儀進(jìn)行微區(qū)成分分析。

3 結(jié)果與討論

按上述工藝制備出BST陶瓷，其相對(duì)密度和收縮率分別如圖1（a）、（b）所示。從圖可以看出1420℃燒結(jié)成瓷的樣品其相對(duì)密度和收縮率最好，因此以下討論的結(jié)果都是基于1420℃燒結(jié)的樣品

圖1 BaxSr1-xTiO3陶瓷相對(duì)密度和收縮率

圖2是BST陶瓷在1420℃燒結(jié)后的XRD圖譜。從圖2中可以看出，所有陶瓷試樣的主晶相均具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。這表明BaTiO3和SrTiO3是相互固溶的，隨著鍶含量的增加，各衍射峰位均逐漸向高角度方向移動(dòng)。

圖2 1420℃燒結(jié)2h的BaxSr1-xTiO3陶瓷XRD圖譜

圖3是采用XRD數(shù)據(jù)計(jì)算得到的BST晶格常數(shù)隨x的變化圖，可以看出隨著x值的增加，即Ba含量的增多，樣品的晶胞參數(shù)和晶胞體積都不斷增加。

圖3 BST晶胞參數(shù)a隨x含量的關(guān)系圖

圖4為BSTx=0.2陶瓷樣品打磨拋光后于1320℃下熱腐蝕半個(gè)小時(shí)后的SEM圖像（BSTx=0.3、BSTx=0.4、BSTx=0.45陶瓷SEM照片與BSTx=0.2陶瓷類似）。從SEM照片可以明顯看出，經(jīng)熱腐蝕后的樣品由不均勻的含有較少氣孔的大塊狀和小塊狀晶粒組成，而不同組分的樣品，其大塊狀和小塊狀晶粒含量不同，不同形貌的晶粒交互排列。

圖4 BaxSr1-xTiO3陶瓷樣品的SEM圖像

圖5為采用直線法測(cè)得的BST陶瓷晶粒的平均尺寸隨x的變化曲線，從中可見晶粒尺寸隨著Ba2+含量的增加而增大。

圖5 BST陶瓷晶粒平均尺寸隨x的變化

表1為BST陶瓷為EDS結(jié)果及Ba2+和Sr2+含量的摩爾百分比。從圖和表中可以看出，在大塊狀晶粒中，其原子比例符合BST（x=0.2、0.3、0.4、0.45）的化學(xué)計(jì)量比。

表1 Ba、Sr的元素含量及其比值

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)配比不同元素比例的BST陶瓷，研究了氣氛燒結(jié)對(duì)BST陶瓷微觀組織的影響。研究表明在1420℃可燒結(jié)制備出成瓷性好、高密度的BaxSr1-xTiO3（x=0.2、0.3、0.4、0.45）陶瓷，BST陶瓷結(jié)構(gòu)均為立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，相結(jié)構(gòu)表明晶格常數(shù)隨Ba含量的增多而增大，微觀組織表明隨著Ba含量的增加，BST陶瓷的小晶粒減少、大晶粒增多、晶粒更加粗大、組分更加均勻。