氣氛燒結鈦酸鍶鋇陶瓷微觀組織結構研究

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、低介電損耗、大調諧率、簡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BST陶瓷展開了研究。

Rhim等[4]通過添加0.5wt%B2O3使BST陶瓷的燒結溫度降到1150℃。Matjaz等[5]采用0.4wt%Li2O摻雜BST陶瓷，燒結溫度可以降低到900℃，但是會在材料中產生少量雜相。程華容等[6]在BaxSr1-xTiO3中摻雜適量B2O3后與未摻雜相同成分BST陶瓷燒結溫度相比，燒結溫度可降低150℃。丑修建等[7]對Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷進行了B2O3-Li2O復合摻雜，其燒結溫度可降至975℃，但是需較長的燒結時間。L.C.Sengupta等[8]系統研究了Al2O3、ZrO2和MgO的添加對BST材料介電性能的影響，發現BST/MgO材料的介電常數大幅降低，綜合介電性能較好。對于BST介質材料，高頻損耗會影響器件的正常運行，降低器件的靈敏度。因此，如何減小高頻損耗一直是BST可調性材料的研究熱點之一，而BST陶瓷的介電損耗與燒結成瓷后的微觀組織結構、相結構、缺陷等有著密切的聯系，因此，本文擬通過氣氛燒結來進一步改善BST陶瓷的微觀組織結構。

2 實驗制備與物理性能測試

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

采用X射線衍射技術分析并測定試樣的相組成；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構；采用英國牛津ISIS能譜分析儀進行微區成分分析。

3 結果與討論

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

圖1 BaxSr1-xTiO3陶瓷相對密度和收縮率

圖2是BST陶瓷在1420℃燒結后的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構。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。

圖2 1420℃燒結2h的BaxSr1-xTiO3陶瓷XRD圖譜

圖3是采用XRD數據計算得到的BST晶格常數隨x的變化圖，可以看出隨著x值的增加，即Ba含量的增多，樣品的晶胞參數和晶胞體積都不斷增加。

圖3 BST晶胞參數a隨x含量的關系圖

圖4為BSTx=0.2陶瓷樣品打磨拋光后于1320℃下熱腐蝕半個小時后的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）的化學計量比。

表1 Ba、Sr的元素含量及其比值

4 結語

本文通過配比不同元素比例的BST陶瓷，研究了氣氛燒結對BST陶瓷微觀組織的影響。研究表明在1420℃可燒結制備出成瓷性好、高密度的BaxSr1-xTiO3（x=0.2、0.3、0.4、0.45）陶瓷，BST陶瓷結構均為立方鈣鈦礦結構，相結構表明晶格常數隨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。