燒結溫度對LaCrO3陶瓷介電性能的影響

汪哲鋮，劉銀，翟 倩，滕艷華

（安徽理工大學材料科學與工程學院，安徽淮南232001）

鉻酸鑭（LaCrO3）具有典型的鈣鈦礦晶體結構，其具有良好的耐化學腐蝕性以及高溫下化學與物理穩定性，被廣泛應用于磁流體發電機的電極材料、高溫電熱元件和固體氧化物燃料電池等方面[1-3]。LaCrO3陶瓷作為固體氧化物燃料電池的連接體材料導電能力較差，其中很重要的因素是其燒結性能不好，對于如何改善LaCrO3陶瓷的燒結性能以提高其導電性已經有了廣泛研究[4-7]。鉻酸鑭粉體形態、比表面積以及摻雜元素和量等是影響其燒結性能的重要因素[8-10]。在目前研究報道中，大多數通過摻雜和制備方法改進LaCrO3陶瓷高溫下性能[11-14]。本文采用氧化物為原料，通過傳統固相法合成LaCrO3粉體并燒結得到LaCrO3陶瓷，研究其燒結溫度對其微觀形貌、致密性及其介電性的影響。

1 實驗部分

1.1 LaCrO3陶瓷制備

將La2O3和Cr2O3粉末按化學計量比稱量，置于聚四氟乙烯球磨罐，以無水乙醇和氧化鋯球為球磨介質，通過行星式球磨機混合5 h，80℃干燥24 h，然后1 000℃煅燒3 h得到LaCrO3粉末。將煅燒得到粉體加入適量聚乙烯醇（PVA，8%）作為粘接劑，混合造粒，并干壓成型得到生坯。最后將生坯置于高溫爐中，在1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃分別燒結 4 h 得到LaCrO3陶瓷。

1.2 表征

采用X射線衍射儀（Shimadzu LabXXRD-6000）進行物相分析，通過阿基米德法測試LaCrO3陶瓷體積密度及氣孔率，采用掃描電子顯微鏡（FESEM，Gemini Sigma 300/VP）觀察其微結構，采用介電頻譜儀（TH2828S）測試室溫下LaCrO3陶瓷介電性能。

2 結果和討論

2.1 物相分析

圖1為不同溫度下燒結得到LaCrO3陶瓷XRD圖譜。由圖1可知，不同溫度下燒結得到LaCrO3陶瓷特征衍射峰與LaCrO3的標準PDF卡片JCPDS No.75-288完全吻合，其衍射尖銳且無雜峰，均表明得到了純鈣鈦礦晶體結構。

圖1 不同溫度燒結得到LaCrO3陶瓷XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of LaCrO3ceramics sintered at different temperatures

2.2 體積密度和氣孔率

圖2為不同溫度下燒結得到LaCrO3陶瓷的體積密度和氣孔率。隨著燒結溫度升高，其體積密度增大，氣孔率減小。當燒結溫度為1 200℃時，樣品體積密度最大達到5.66 g/cm3。然后隨燒結溫度升高，其體積密度減小，氣孔率增大。

圖2 不同溫度燒結4 h得到LaCrO3陶瓷的體積密度和氣孔率Fig.2 Density and porosity of LaCrO3ceramics sintered at different temperatures for 4 h

2.3 SEM分析

圖 3 為在 1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃分別燒結4 h得到LaCrO3陶瓷的SEM照片。由圖3可知：樣品的顆粒呈球狀或橢圓狀，分布較均勻。隨著燒結溫度升高，LaCrO3陶瓷的結構逐漸致密，且顆粒尺寸逐漸增大[圖 3（a）（b）]。在 1 200℃燒結 4 h，LaCrO3陶瓷的結構致密度最佳，其顆粒尺寸約為 1 μm～2 μm[圖 3（c）]。當燒結溫度為1 250℃時，LaCrO3顆粒粗化，結構變得疏松，表明其已經出現過度燒結的現象，這與圖2 LaCrO3陶瓷燒結性能相一致。

圖3 不同溫度燒結4 h得到LaCrO3陶瓷的SEM照片Fig.3 SEM images of LaCrO3ceramics sintered at different temperatures for 4 h

2.4 介電性能

圖4為不同溫度下燒結得到LaCrO3陶瓷的介電常數（εr）和介電損耗（tanσ）隨頻率（KHz）變化的關系曲線。

從圖 4（a）可以看出，1 100℃～1 250℃溫度范圍內的LaCrO3介電常數隨著頻率的增大而減小，逐漸趨于穩定。這可能歸因于純LaCrO3陶瓷中的氧空位難以形成，氧空位數非常少。測試頻率為200 KHz時，其中燒結溫度為1 100℃時，介電常數最高達到1 696。隨著燒結溫度的變化，當燒結溫度為1 150℃時，介電常數為482，燒結溫度的變化導致介電常數的急劇變化。

圖 4（b）為介電損耗（tanσ）隨頻率（KHz）的變化。介電損耗變化的總趨勢與介電常數隨頻率變化相似，區別在于低頻范圍內急劇下降，在高頻范圍內能達到恒定的靜態值。這可能歸因于純LaCrO3陶瓷中的氧空位難以形成，氧空位數非常少。不同燒結溫度下LaCrO3的介電性能表現出極大差異，原因在于其燒結性能、氣孔率高低的差異、顆粒尺寸大小的不同都會對內部空間電荷極化產生影響。

圖4 不同溫度燒結4 h得到LaCrO3陶瓷的介電性能Fig.4 Dielectric properties of LaCrO3ceramics sintered at different temperatures for 4 h

3 結論

采用固相法制備了LaCrO3樣品的最佳燒結溫度約為1 200℃，體積密度可達到5.657 9 g/cm3。最佳燒結溫度下LaCrO3樣品顆粒呈球狀，直徑約為1μm，顆粒之間的團簇現象幾乎消失，結構致密，有較好的均勻性。此外，介電常數（1 150℃除外）和介電損耗隨頻率增大而下降，介電損耗在高頻可保持恒定靜態值。