掺杂V2O5对MgNb2O6介电陶瓷工艺和性能的影响

2024-07-29 作者:

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掺杂Ｖ２０５对ＭｇＮｂ２０６介电陶瓷工艺和性能的影响　赵永乐　赵能伟　刘林艳。　２１　１　１００　４３００７０）　湖北武汉（１南京航空航天大学材料科学与技术学院　江苏南京２武汉理工大学材料科学与Ｔ程学院摘要本文采用固相反应法常压烧结制备ＭｇＮｂ　０。粉末，研究了添加不同质量分数的Ｖ　０　对　ＭｇＮｂ　０　微波介电陶瓷的烧结丁艺和介电性能的影响。并运用ＸＲＤ、ＳＥＭ和ＬＣＲ对试样显微组织和　性能进行了分析。结果表明：添加一定量的Ｖ　０　能够有效地降低ＭｇＮｂ。０。介电陶瓷的烧结温度，提　高试样的致密度、频率温度系数及介电常数。当Ｖ　０　添加量为１．０ｗｔ％，且在１　１７５℃烧结条件下获　得的ＭｇＮｂ２０６陶瓷性能最佳，其性能参数分别为：￡　＝２８，ｔａｎ　６＝Ｏ．００３６１，Ｔ　ｆ＝５４．６４ｐｐｍ・℃。　关键词ＭｇＮｂ　０　介电陶瓷，Ｖ　０　，烧结温度，介电性能　１０×３ｍｍ的薄圆片状，压力为１２ｋＮ，保压时间为ｌｍｉｎ。　然后装炉烧结，烧结工艺为：室温到１００℃时，升温速率　为了降低材料制备成本，常常需要降低陶瓷烧结温　为１℃／ｍｉｎ：１００℃到３００℃，升温速率为３～４℃／ｍｉｎ；此　度。降低烧结温度的手段主要是添加助熔剂，如ＣｕＯ、　后，升温速率为５～６℃／ｍｉｎ。其中在６００℃时保温２ｈ，以　ＰｂＯ、Ｖ２０　、Ｂ２０３等ｈｉ。近几年，国外已将超微粉末制备技术、　利于排胶　最后以５～６℃／ｍｉｎ升温速率加热到烧结温　　高致密成形技术、特种烧结技术等先进工艺用于微波介　度，保温３ｈ后随炉冷却。电陶瓷的研制，并取得了良好的效果＿２］。随着微波烧结技　术等新技术在制备微波介电陶瓷材料中的应用和发展，　将烧成的试样用ｘ射线衍射仪进行物相分析．再将　试样研磨．用无水乙醇清洗，并涂上中温型银浆，在　ｏＣ下烧渗ｌＯｍｉｎ后，测出试样的厚度ｈ和直径ｄ，在　可望获得晶粒细小、显微结构均匀致密，而且较好地保持　６００　了原始材料的组成与结构的微波介电陶瓷材料。其介电　７５Ｈｚ￣３０ＭＨｚ的频率下，测定试样的电容Ｃ。及介电损耗　常数在２￣２０００范围内系列化，可适应多种用途，频率　ｔａｎ　６，依据公式￡　＝１４．４×Ｃ。×ｈ／ｄ　和Ｔ　ｆ＝一（Ｑ＋　温度系数在一１００￣＋３００范围内系列化Ｅ３，６］，从而最终实　Ｏ．５　）分别计算介电常数和频率温度系数，式中ａ为　　为材料的介电常数系数。　现微波介电陶瓷材料组成、结构与性能的可调控性＿６］。鉴　材料的线膨胀系数，于此，本文研究了添加不同质量分数的Ｖ　０　对ＭｇＮｂ。０。微　波介电陶瓷的烧结工艺和介电性能的影响。　３　试验结果与分析　３．１烧结特性分析　图ｌ表示添加不同含量Ｖ２０　的ＭｇＮｂ　０。陶瓷密度随　２　实验方法　０。陶瓷　将称量好的原料，加入适量无水乙醇和ＺｒＯ　球混料　烧结温度变化的关系曲线。经实验测定，纯ＭｇＮｂ２　３００　ｏＣ，密度为４．４５ｇ／ｃｍ。。由图可知，随　球磨，球料比为２：ｌ，球磨４ｈ（１８０ｒ／ｍｉｎ）后置于７Ｏ℃干燥　的烧结温度为ｌ０　的ＭｇＮｂ　０。陶瓷的密度先增　箱中干燥，粉料碾磨过筛后在１　１５０￣Ｃ×２ｈ条件下预烧。　着烧结温度的提高，添加Ｖ２烧结温度在ｉ　１７５～ｉ　２２５℃时，　在预烧后的粉末中添加一定量的Ｖ２０　作为烧结助剂，以　后减。当添加量≤１．Ｏｗｔ％、无水乙醇为介质，球磨１Ｏｈ。造粒后采用双向压制成　密度迅速增加，之后温度继续升高其密度变化不大　其中　维普资讯

謦＿　《　ｔ嬲　窄．彩　擘≯　０零ｊ　－ｐ　尊譬　黟　添加１．Ｏｗｔ％Ｖ２０　的ＭｇＮｂ２０６陶瓷在烧结温度为１　１７５￣Ｃ　时密度达到最高值，为４．８７ｇ／ｃｍ。。而添加量≥２．Ｏｗｔ％、烧　结温度为１１７５～１　２００￣Ｃ时，密度变化不大，当温度继续　超过２ｗｔ％Ｈ，￣，ＭｇＮｂ　０。陶瓷中会产生ＶＮｂ９０２５新相。　３．３　ＳＥＭ分析　对添加不同含量Ｖ　０ｊ的试样进行ＳＥＭ扫描分析，得　提高，样品的致密度则迅速降低。对于添加２．０ｗｔ％和　到图３所示照片。由图（ａ）可知，未加烧结助剂的试样晶　３．Ｏｗｔ％Ｖ２０　的ＭｇＮｂ２０　陶瓷，其下降趋势更为明显。　粒大小不均匀、形状不规则，并且存在大量的气孔。由图　（ｂ）可以看出，添加１．Ｏｗｔ％Ｖ２０５的试样在１　１５０℃下烧结　时，气孔明显减少，晶粒变大。当烧结温度增加到１　１７５℃　时，气孔减少，晶粒尺寸均匀，形状规则也多为等轴状，密　度明显增加，棒状晶粒开始增多。　温度（℃）　图１　掺杂Ｖ２０　的ＭｇＮｂ　０　陶瓷密度与烧结温度的关系　（ｂ）ｘ＝１．Ｏｗｔ％．１　１５Ｏ℃　综上可知，当Ｖ　０　添加量合适时，既可以降低ＭｇＮｂ　０。　陶瓷的烧结温度，又可以提高其密度。当掺杂量较小时，　在烧结过程中会产生液相，液相润湿陶瓷颗粒．加速了颗　粒的重排、溶解一沉淀等传质过程的发生，促进了致密化　过程，从而降低了陶瓷的烧结温度　，并提高了样品的密　度。但掺杂量过大时，过多的液相反而妨碍颗粒问的接　触，影响传质过程的进行，从而导致密度的降低。　３．２　ＸＲＩ）分析　（ｃ）ｘ＝１．Ｏｗｔ％，１　１７５℃　（ｄ）ｘ＝１．Ｏｗｔ％，１　２２５℃　图２为添加不同含量Ｖ　０　的ＭｇＮｂ：０。介电陶瓷在　１２００℃下烧结所得试样的ＸＲＤ图谱。经与标准ＰＤＦ卡片　图３　添加Ｖ２０　的ＭｇＮｂ２０。陶瓷的ＳＥＭ图谱　对比可知，添加０．５ｗｔ％Ｖ　０　的烧结试样具有铌铁矿结构　当烧结温度为１　２２５℃时，晶粒开始出现异常长大，　的单相ＭｇＮｂ　０。，没有第二相出现；但是，当添加２．Ｏｗｔ％　气孔数量增加。随着烧结温度的升高，试样显微组织的这　Ｖ　０　后，第二相衍射峰开始　现，且随着添加量的增多，　种变化特征，对材料的性能产生很大的影响，具体表现在　第二相的衍射峰强度也逐渐增加。通过ＸＲＤ测定，新相为　试样的密度先增后减（如图１所示）　ＶＮｂ。０：　，其结构为单斜结构。值得说明的是，当Ｖ。０　添加量　对于Ｖ　０　掺杂量不同的的ＭｇＮｂ　０６陶瓷，通过ＥＤＳ分　析发现，当Ｖ　０　加入量过少时，晶粒与晶界的成分无差　一　二　一　０　异：图４为晶界和晶粒处的能谱图和各元素的质量分数　０元素的　～　…　萋～　％　表。当加入量为２．０％时，分析表明，晶界处的Ｖ、质量分数明显高于晶粒内，而晶粒内Ｍｇ元素的含量及原　０．５ｗｔ％　子比远高于品界处，Ｎｂ的含量变化不大，。这进一步证明　２Ⅳｔ％　当Ｖ　０　加入量多时，晶内成分与晶界处已明显不同，在晶　：｛ｗ　界处ｖ计已取代Ｍｇ　。。的位置，形成第二相ＶＮｂｇＯ篮，这与ＸＲＤ　ｌ０　２０　３０　４ｏ　５０　６０　７０　８Ｏ　分析结果相吻合。　２Ｏ（。）　３．４介电性能分析　图２　添加不同含量Ｖ２Ｏ５的ＭｇＮｂ　０。陶瓷的ＸＲＤ图谱　图５（１）为添加Ｖ　０　的ＭｇＮｂ　０。陶瓷的介电常数与频　维普资讯

豳墨霸豳—啊８　墨ｉ　ｌ丝　：　ｌｌ！　　．！堕ｌ　！！Ｉ　！！！ｌ　ｌ　丛　ｌ蛰　！！Ｉ　：　ｌ　Ｉ　ｊｖ】｝　｝８！　．！　ｌ埘』堑Ｊ　Ｉ　：！　ｌ　０　２８　｝４６　Ｏ２　｝　ｉ＾　Ｉ　７１　４６　ｌ　３２　５７　ｌ　豳墨曩豳■啊　孔多少、晶粒大小的变化和新相的生成，都会影响样品的　介电损耗。　下表列出了添加Ｖ２０　前后的ＭｇＮｂ。０　陶瓷的介电性　能。其介电常数随添加量的增加而增加，当添加量为　１　０１　０８－＇１　０１　１３．１Ｉ　ｌ　Ｖ　ｌ　０３７３ｖ　１　０３　１　８　３．０ｗｔ％时开始下降。频率温度系数在１．０ｗｔ％处取得最大　值。之后随添加量增加开始下降。介电损耗在添加量为　１．０ｗｔ％之后，随着添加量的增加而增大，并且高于未添加　（１）　粒内　晶界处　图４　１　１７５℃下添加２．０ｗｔ％Ｖ２０５的ＭｇＮｂ２０６陶瓷能谱　据　（２）ｔａｎ　６一ｆ　图５　添加Ｖ　的ＭｇＮｂ２０　陶瓷的介电性能与频率关系曲线　率关系曲线。由图可以看出，掺杂Ｖ。０　烧结试样的介电常　数开始时随着掺杂量的增加而增加。并在１．Ｏｗｔ％处取得　最大值。在低频段介电常数变化较为急剧，在高频段介电　常数高度稳定并平行于ｘ轴。添加Ｖ２０ｓ的介电常数ｅ　ｒ　达到３１￣３２。值得注意的是，掺杂量为３．０ｗｔ％￣ＭｇＮｂ２０６　陶瓷介电常数明显下降并且低于未掺杂时的试样。由此　可以推断，在一定范围内掺杂Ｖ２０５可以提高制品的介电　常数，但加入过多的Ｖ。０ｊ反而会起到相反的作用。同样，　样品的介电损耗也随着添加量的增加而增大．且都高于　未添加Ｖ２０５时的样品。这是由于掺杂后试样的致密度、气时的试样　添加Ｖ２０５的ＭｇＮｂ２０６陶瓷的介电性能表（２５￣Ｃ，１ＭＨｚ）　４　结　论　（１）掺杂Ｖ２０　可以降低烧结温度，掺杂量少于２．Ｏｗｔ％　时，可以提高其介电常数，但介电损耗也会相应增加。　（２）当Ｖ２０　掺杂量＜２．０ｗｔ％时，只有单相ＭｇＮｂ２０６，　当≥２．Ｏｗｔ％时，有第二相Ｎｂ￣ＶＯ衢或Ｖ３Ｎｂ　７０∞出现。其介电　性能参数为：　２１～３１，ｔａｎ　６＝０．００３５～０．０１５２８，Ｔ　ｆ＝　～６５．３４～一５４．２４。　（３）掺杂１．Ｏｗｔ％Ｖ２０　具有较好的综合介电性能，掺　杂Ｖ。０　试样的烧结温度范围为１１７５～１　２００℃。　参考文献　１　Ｐｕ１１ａｒ，Ｒ．Ｃ．，Ｂｒｅｅｚｅ，Ｊ．Ｄ．ａｎｄ　Ａｌｆｏｒｄ，Ｎ．ＭｃＮ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃｏｌｕｍｂｉｔｅ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｎｉｏｂａｔｅ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ，Ｍ２‘Ｎｂ２０６［Ｊｊ．Ｋｅｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００２，　２２（４），１～４　２　Ｗｅｅ　Ｓ．Ｈ．，Ｋｉｍ　Ｄ．Ｗ，Ｙｏｏ　Ｓ．Ｉ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｌｏｗ～Ｆｉｒｅｄ　ＺｎＮｂ￣６　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｗｉｔｈ　维普资讯

赣　赣壤灏　■ｌ　ＢｉＶＯ１　Ａｄｄｉｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｍｅｒｉ　ｃａｎ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００４，８７（５）：８７１－－８７４　４２－－４５　５张迎春，李龙士，桂治轮．ＣａＦ　掺杂对ＺｎＮｂ　０　陶瓷烧结行为　及介电性能的影响［Ｊ］．压电与声光，２００３，２５（１）：４９￣６３　６王茹玉，黄金亮．烧结助剂对（Ｂｉ。５Ｚｎ。ｏＮｂ　５）０７陶瓷性能　３陈湘明等．高介电常数微波介质陶瓷体系探索［Ｊ］．材料导报　２０００，１４（１０）：２１４～２１９　４高春华，黄新友，微波介质陶瓷及展望［Ｊ］．陶瓷，２０００（１）：　的影响［Ｊ］．电子元件与材料，２００５，２４（１）：３２－－３４　Ｅｆｆｅｃｔ　ｓ　ｏｆ　Ｖ２０５　ｏｎ　Ｓｉｎｔ　ｅｒａｂｉ　１　ｉ　ｔｙ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔ　ｉ　ｅｓ　ｏｆ　ＭｇＮｂ２０６　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｚｈａｏ　Ｙｏｎｇｌｅ　Ｚｈａｏ　Ｎｅｎｇｗｅｉ　Ｌｉｕ　Ｌｉｎｙａｎ　（１　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００１６　２　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉＳ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｖ２０５　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｉｎｔｅｒａｂｉ１ｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉＣ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＭｇＮｂ２０６　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉＣＳ　ＭｇＮｂ２０６　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｌｅｓｓ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｉｒ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｈａｄ　ｂｅｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ＸＲＤ，ＳＥＭ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉＣ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｈａｄ　ｂｅｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ＬＣＲ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎａｌｙｚｅｒ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｒｅｖｅａｌｅｄ　ｔｈａｔ　Ｖ２０５　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ　ｃａｎ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈｅ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｄｉｅ１ｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｓｔａｎｔ，ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｅｉｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ＭｇＮｂ２０６　０６　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｓｉｎｔｅｒｅｄ　ａｔ　１　１７５￣Ｃ　ｈａｄ　ｔｈｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ：￡ｒ＝２８，ｔａｎ　６　０．　ｃｅｒａｍｉｃｓ．Ｔｈｅ　１．０ｗｔ％Ｖ２０＜ｄｏｐｅｄ　ＭｇＮｂ２，００３６１．Ｔ　Ｆ一５４．６４ｐｐｍ・℃　．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　２．Ｏｗｔ％，ｔｈｅ　ＭｇＮｂ２０６　ｃｅｒａｍｉＣＳ　ｈａｄ　ｎｅｗ　ｐｈａｓｅ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭｇＮｂ２０６　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃｓ，Ｖ，ｃＯｊ，ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｄｉｅｌｅｃｔｒｉＣ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ