固態反應法制備CaCu3－x MgxTi4O12陶瓷的介電性能研究＊

婁本濁

（陜西理工學院 陜西 漢中 723003）

固態反應法制備CaCu3－xMgxTi4O12陶瓷的介電性能研究＊

婁本濁

（陜西理工學院 陜西 漢中 723003）

利用固態反應法制備了CaCu3－xMgxTi4O12（x＝0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）陶瓷，并分析探討了 MgO添加量對其介電性能的影響。研究結果表明，添加MgO后陶瓷晶粒有變小的現象，且MgO的添加摩爾比為0.6時其介電常數最佳，但介電常數隨頻率增加下降也較快；MgO添的加摩爾比為0.2和0.4時雖然介電常數增加較少，但隨頻率變化幅度卻較小。在頻率＜1 000Hz時添加MgO會使陶瓷使的介電損耗大幅上升，這表明添加MgO有降低電阻的效果。

高介電材料 鈣鈦礦結構 CaCu3Ti4O12MgO 介電性能

前言

電子元件的高性能與微型化是驅動微電子技術不斷發展的動力，而高介電材料是電容器、濾波器、儲存器等重要電子元件向高性能化和微型化方向發展的基礎［1］。高介電材料一般是指其介電常數＞1 000的介電材料的泛稱。它們一般是具有鈣鈦礦結構的鐵電材料，介電常數均在1 000以上，如BaTiO3、Pb（Zr，Ti）O3及（Ba，Sr）TiO3等［2］。然而這些材料的介電性質隨溫度有較大的變化，導致元件的穩定性比較差［3］。

CaCu3Ti4O12是近年來備受關注的高介電材料，屬立方晶系鈣鈦礦氧化物［4］。早在1967年P Thomas等［5］就已制備出CaCu3Ti4O12陶瓷，但其優異的介電性質直到2000年才被 M A Subramanian等［6］發現。與傳統鈣鈦礦結構的介電材料相比［7］，CaCu3Ti4O12制備工藝簡單，燒結溫度低，且不需添加其它雜質元素就可得到對溫度敏感性較低且具有巨大介電常數的特性，同時還具有強烈的非線性特征，使其成為制作高密度信息儲存器、高介電容器和非線性元件等的潛力材料［8］。由于目前國內還沒有研究討論過添加劑對CaCu3Ti4O12介電性能的影響，故在此筆者通過添加不同摩爾比的MgO，利用固態反應法來制備CaCu3Ti4O12陶瓷，并且分析了MgO添加量對其結構與介電性能的影響。

1 實驗

本實驗利用固態反應法制備CaCu3－xMgxTi4O12（x＝0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）陶瓷樣品。

1）按相應化學計量比稱取高純度的CaO、CuO、TiO4與MgO等粉末置于裝有適量ZrO2球的球磨機中，并加入同等質量的去離子水后濕式球磨24h，然后制成漿料，然后將漿料放入烘箱中干燥24h。

2）將干燥后的粉末置于空氣爐中煅燒，升溫速率為5℃/min，煅燒溫度為900℃，保溫6h，自然冷卻至室溫。

3）將經過煅燒的粉體研磨與ZrO2球、去離子水一起放入干燥箱中干燥24h，然后在干燥后的粉末中加入1.5%的PVA與少量去離子水攪拌均勻后烘干。

4）將以上制得的粉體磨細并控制粒度為100目，利用單軸油壓機以100kg/cm2的壓力將粉粒壓制成片狀生坯。

5）為了避免燒結時因結劑PVA快速揮發而造成孔洞、龜裂等不良現象，先以2℃/min的升溫速率加熱至600℃，保溫2h，再以5℃/min的升溫速率加熱至1 100℃，保溫8h，再以5℃/min的速率降溫即可制得實驗所需陶瓷樣品。

采用XRD－7000S/L型X射線衍射儀測量樣品的晶體結構；SNE－4000型掃描電鏡觀測樣品的微觀形貌；AET型介電常數測試儀測量樣品的介電特性。

2 結果與討論

2.1 X射線衍射分析

圖1 CaCu3－xMgxTi4O12陶瓷的XRD圖譜Fig.1 The XRD patterns of CaCu3－xMgxTi4O12ceramics

圖1為CaCu3－xMgxTi4O12陶瓷樣品的XRD圖譜。由圖1可以看出，陶瓷中TiO2相的生成量隨著MgO添加量的增大而逐漸減少，當MgO添加量x大于0.2時陶瓷中將不再產生其它二次相。這表明MgO的添加有助于CaCu3Ti4O12相的生成。從圖1還可看出，2θ隨著MgO添加量的增大而逐漸往小角度偏移，即x＝0.0時，2θ＝61.492°；x＝0.2時，2θ＝61.485°；x＝0.4時，2θ＝61.437°；x＝0.6時，2θ＝61.416°；x＝0.8時，2θ＝61.411°；x＝1.0時，2θ＝61.353°。

2.2 SEM 分析

圖3為在1 100℃燒結溫度下所制備CaCu3－x MgxTi4O12陶瓷的SEM圖譜。由圖3可以看出，當x＝0.0時，陶瓷晶粒尺寸為10～40μm；當x＝0.2時，陶瓷晶粒尺寸晶粒略微變小，為2～20μm；但當x＝0.4與0.6時，陶瓷晶粒出現了不連續成長的現象，且當x＝0.4時不連續成長現象最為嚴重，x＝0.6時仍有不連續成長現象，但陶瓷晶粒逐漸變小；當x＝0.8與1.0時，陶瓷晶粒又趨于大小比較一致，晶粒尺寸約為10μm。

圖2 晶格常數隨MgO添加量的變化曲線Fig.2 The curve of lattice constant changed with MgO addition

由θ變化可計算出陶瓷晶格常數的變化，其結果如圖2所示。由圖2可知，陶瓷樣品的晶格常數隨著MgO添加量增大而逐漸變大，由x＝0時的7.385增加至x＝1.0時的7.401。

圖3 CaCu3－xMgxTi4O12陶瓷的SEM圖譜Fig.3 The SEM pictures of CaCu3－xMgxTi4O12ceramics

2.3 介電常數分析

圖4為外加1V電壓時CaCu3－xMgxTi4O12陶瓷的介電常數隨頻率的變化而變化。由圖4可以看出，當頻率為20Hz～1MHz時，x＝0.2的陶瓷樣品的介電常數變化不明顯；而x＝0.4的陶瓷樣品的介電常數卻明顯增大；當x＝0.6時其介電常數達到最大值；如繼續添加MgO則會使陶瓷的介電常數反而下降。這表明添加MgO雖有增加介電常數的效果，但也會使得相同頻率間的介電常數變化量增加。當頻率為75kHz～30MHz時，Mg的添加量與介電常數之間關系不太規律，當x＝0.6時仍有較大的介電常數值，但當x＝0.4與0.6時反而比無添加樣品的介電常數要低。這表明在高頻時樣品的介電常數沒有得到更好的改善。

2.4 介電損耗分析

圖4 CaCu3－xMgxTi4O12陶瓷的介電常數隨頻率的變化曲線Fig.4 The curves of dielectric constant of CaCu3－xMgxTi4O12ceramics changed with frequency

圖5為外加1V電壓時CaCu3－xMgxTi4O12陶瓷的介電損耗隨頻率的變化規律。由圖5可以看出，當頻率為20Hz～1MHz時，陶瓷的介電損耗隨著MgO添加量的增加而逐漸增大；但當x＞0.4時，陶瓷的介電損耗變化不大；且當頻率為1MHz左右時，陶瓷的介電損耗有逐漸增大的趨勢；在低頻處的高介電損耗已遠遠超越介電損耗可接受的范圍。使用三用電表測量發現，添加MgO后陶瓷樣品的電阻急劇變小，導致漏電電流增大，致使介電損損耗也隨之增大。當頻率為75kHz～30 MHz時，陶瓷的介電損耗開始時隨著MgO添加量的增加逐漸增大；當頻率為6MHz時，各種陶瓷樣品均有突然高起的峰值，且峰值大小與MgO添加量沒有確切關系；但當頻率大于6MHz時，陶瓷的介電損耗驟然降低。

圖5 CaCu3－xMgxTi4O12陶瓷的介電損耗隨頻率的變化曲線Fig.5 The curves of dielectric loss of CaCu3－xMgxTi4O12ceramics changed with frequency

3 結論

CaCu3Ti4O12作為一種重要的高介電材料，有希望取代BaTiO3在高密度信息儲存器、高介電容器和非線性元件制作上獲得廣泛運用。筆者利用固態反應法制備了不同MgO添加量的CaCu3Ti4O12陶瓷，并且分析了這些陶瓷樣品的結構與介電性能。

實驗結果表明，MgO的添加有助于CaCu3Ti4O12相的生成，而且陶瓷的晶格常數會隨著MgO添加量增加而變大。添加MgO后陶瓷晶粒會變小，但當MgO添加量摩爾比為0.4與0.6時晶粒出現不連續成長的現象。MgO添加摩爾比為0.6時陶瓷的介電常數最佳，但介電常數隨頻率的增加下降也較快；而添加摩爾比為0.2與0.4時，雖然介電常數增加較少，但隨頻率變化幅度卻較小。在頻率低于1 000Hz時添加MgO會使陶瓷使的介電損耗大幅上升，這表明添加MgO有降低電阻的效果。

1 李含，鄒正光，吳一，等.CaCu3Ti4O12高介電材料的研究現狀與發展趨勢.硅酸鹽學報，2009，28（1）：121～126

2 鄭鵬.鈦酸鋇基陶瓷的壓電物性與鈦酸銅鈣陶瓷的高介電物性：［博士學位論文］.濟南：山東大學，2010

3 黃集權.鈦酸鋇基多相復合高介電材料研究：［碩士學位論文］.杭州：浙江大學，2006

4 余之松，任桂華.CaCu3Ti4O12高介電陶瓷材料的制備和性能研究.黃石理工學院學報，2008，24（1）：10～13

5 Thomas P，Dwarakanath K，Varma K B R，et al.Nanoparticles of the giant dielectric material，CaCu3Ti4O12from a precursor route.Journal of Physics and Chemistry of Solids，2008，69（10）：2 594～2 604

6 Subramanian M A，Li D，Duan N，et al.High dielectric constant in ACu3Ti4O12and ACu3Ti3FeO12phases.Journal of Solid State Chemistry，2000，151（2）：323～325

7 邵守福，鄭鵬，張家良，等.CaCu3Ti4O12陶瓷的微觀結構和電學性能.物理學報，2006，55（12）：6 661～6 666

8 徐洋，鐘朝位，張樹人.CaCu3Ti4O12高介電材料的研究進展.材料導報，2007，21（5）：25～28

Study on the Dielectric Property of CaCu3－xMgxTi4O12Ceramics Prepared by Solid State Reaction Method

Lou Benzhuo（Shaanxi University of Technology，Shaanxi，Hanzhong，723003）

The CaCu3－xMgxTi4O12ceramics with x＝0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0are prepared by solid state reaction method and the dielectric properties are analyzed and discussed in this thesis.The studied results show that the crystal particle sizes of MgO doped ceramics become smaller.The dielectric constant is best at x＝0.6，but it decreases rapidly with frequency increasing.The dielectric constant increases slowly at x＝0.2and 0.4，but it changes rarely with frequency varying.Because of adding MgO，the dielectric loss of ceramics increases greatly below the frequency of 1 000Hz.It reveals that MgO addition can decreases effectively the resistance of CaCu3－xMgxTi4O12ceramics.

High dielectric constant materials；Perovskite structure；CaCu3Ti4O12；MgO；Dielectric property

O611.3

A

1002－2872（2012）05－0025－03

婁本濁（1982－），碩士，講師；主要從事功能材料性能檢測的研究。