CBS玻璃摻雜鐵電/鐵磁復合材料性能研究

程春華 凌味未

摘 要：采用標準陶瓷工藝，在900℃和950℃成功制備了可應用于LTCC（低溫共燒陶瓷）工藝的摻雜CBS的BaTiO3/NiCuZn復合材料。對比研究了添加CBS前后復合體系磁性能和介電性能變化。發現CBS能夠減弱低頻段的磁導率頻散，并能在一定程度提高高頻段的Q值；同時，它還能明顯抑制界面極化對復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。

關鍵詞：鐵電/鐵磁復合材料；LTCC；CBS玻璃；磁性能；介電性能

隨著信息技術的高速發展，電子系統對小型化和集成化的要求越來越高，這使得無源集成和無源/有源混合集成技術面臨挑戰。

近幾年，LTCC（低溫共燒陶瓷）技術作為一種先進的三維互聯封裝技術得到了更加廣泛的應用，針對LTCC材料多元化和系列化的研究也逐漸成為一個熱點。另一方面，鐵電/鐵磁復合材料因其具有優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/鐵磁復合體系，因為BaTiO3陶瓷具有優良的介電性能[ 1 ]，并已商業化，而NiCuZn也具有高磁導率、高化學穩定性和良好的頻率特性[ 2 ]。所以，本文繼續選用這一復合體系作為研究對象，同時，為了使體系具有較低的磁損耗和介電損耗，將兩相質量比控制為10：1。

玻璃是低溫燒結研究中常用的燒結助劑，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等陶瓷的低溫燒結或改性研究。

因此，本文選用CBS玻璃作為BaTiO3/NiCuZn復合體系的低溫燒結助劑。

1 實驗材料與方法

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，利用球磨機濕磨13h，烘干，并于800℃在空氣中預燒3小時得到鐵氧體預燒粉。

以CaCO3，H3BO3，SiO2為原料，按質量分數47.8%CaO，30.2%B2O3，

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

按照質量比10：1分別稱取預燒粉和鈦酸鋇混合，再分別加入占上述混合粉體質量的0%，10%的CBS玻璃粉體。混合粉體濕磨13小時，烘干，添加7%（質量分數）聚乙烯醇造粒，100目篩網過篩，在5Mpa壓力，成型得到圓環和圓片狀生坯，最后生坯樣品在900℃，950℃煅燒3小時得到燒結樣品。

樣品的磁導率和介電常數由TH2826A阻抗分析儀在20HZ～2MHZ的頻率范圍測得。

2 結果與分析

2.1 磁性能對比

圖1是兩個溫度不同CBS含量的復合材料磁導率隨頻率的變化曲線。

在較低頻段，950℃兩個樣品和900℃玻璃摻雜樣品都出現了不同程度的頻散現象，這與Ghodake研究的NiCuZn鐵氧體磁譜時發現的結果一致[ 4 ]，主要是磁疇壁移動機制對磁導率產生的貢獻。對兩個溫度點的燒結樣品，加入CBS后都使頻散現象都有不同程度的減弱，尤其是900℃，基本消除了頻散。

其次，隨著燒結溫度升高，未摻雜樣品的磁導率有明顯升高。對同一燒結溫度，加入CBS都會導致磁導率有不同程度下降，特別是950℃燒結的樣品，這說明添加CBS對復合體系的磁導率有抑制作用。

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

2.2 介電性能對比

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

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

圖4的內插圖是四個樣品在1MHz～2MHz的介電損耗變化的放大圖，可以看出，燒結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，在部分高頻點損耗值可降至0.001。

3 結論

1）加入CBS能夠抑制磁譜中的頻散現象，但會在一定程度降低復合體系的磁性能。

2）升高燒結溫度和添加CBS都能有效的提升體系品質因數，而添加CBS對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象，但介電常數有一定幅度下降。

4）加入CBS能大幅降低復合材料的介電損耗，在高頻段最低可降至0.001。

參考文獻：

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

[2] 代建清，周小兵，陳輝.低溫燒結NiCuZn鐵氧體粉體的制備與磁性能.硅酸鹽學報，2016，6.

[3] 凌味未.低溫共燒（LTCC）鐵電/鐵磁復合材料與器件研究，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：

感謝國家自然科學基金項目（No.61201094），四川省科技支撐計劃項目（2016GZ0285）和四川省教育廳重點項目（No.15ZA0188）對本文工作的資助。