低温烧结Sn取代Bi-CVG铁氧体的介电性能研究

李　宁（榆林职业技术学院，陕西　榆林　719000）

低温烧结Sn取代Bi-CVG铁氧体的介电性能研究

李宁
（榆林职业技术学院，陕西榆林719000）

摘要：本文利用传统固相烧结法制备了Snx:Bi-CVG铁氧体材料，并对低温烧结下的微观结构及介电性能进行了研究。结果表明，组分x=0.4 的Snx:Bi-CVG试样在1075℃烧结6h，烧结体密度达到最大值，可生成单一石榴石相，且介电性能良好：当极化场频率小于谐振频率范围时，Sn0.4：Bi-CVG试样的介电常数ε´在12.6-14.7范围内，当极化场频率大于共振频率范围时，介电常数ε´在9.7-11.7范围内，介电损耗tgδ大约在2.0×10-4-7.2×10-3范围内变化。

关键字：YIG ;铁氧体;低温烧结;介电性能

1　引言

钇铁石榴石(Y3Fe5O12，简称YIG）铁氧体材料因其具有优良的旋磁性能而广泛应用于诸如环行器、振荡器和移相器等微波器件的制造[1]。但是，YIG铁氧体由于烧结温度高（＞1400℃），导致无法与高导电材料例如Ag-Pd合金（1145℃）实现共烧。早些一些研究工作者[2--5]通过添加CaO-V2O5或Bi2O3-CaO-V2O5组分使YIG铁氧体烧结温度从1400℃降低到1100℃。后又有学者在Bi2O3-CaO-V2O5掺杂的基础上，研究了添加In2O3的Bi-CVG铁氧体材料，并发现在1075℃烧结温度下磁性能优良[6]。但是In2O3原料价格昂贵。我们先前研究了SnO2对Bi-CVG铁氧体材料微结构及磁性能的影响，获得优良磁性能的石榴石结构材料[7]。本文在此基础上对Sn取代Bi-CVG材料的介电性能和机理进行了进一步讨论。

2　实验方法

本实验采用传统固相烧结工艺，制备了组分为{Bi0.75Y1.05-xCa1.2+x} [Fe2-xS nx](Fe2.4V0.6)O12(Snx:Bi-CVG）系列铁氧体材料，其原料为Bi2O3（99.50%）、Fe2O3（99.95%）、CaCO3（99.50%）、V2O5（99.00%）、SnO2（99.99%）、Y2O3（99.95%）。具体工艺如下：将原料按上述化学计量（x=0.0, 0.2, 0.3,0.4, 0.5, 0.6）换算配比并进行混合球磨；经干燥、950℃×4h预烧后，进行二次球磨6h；用PVA(浓度10%）黏合剂对混干后制备好的粉末进行造粒，在40,000N/m2压强下将混合料压成16mm×8mm×（1～4）mm薄片，然后在烘箱里100℃干燥2h，并在1000℃～1100℃烧结6h后，随炉冷却。

采用排水法测量样品密度ρ；用日本岛津XRD－7000S型X射线衍射仪（XRD，Cu Kα，λ=0.154nm）分析样品的物相组成；采用日本电子（JEOL）JSM－6700F型扫描电镜(SEM)观察试样的微观形貌；采用AgilentE8362B网络分析仪在12～15.2GHz微波范围内测样品介电性能。

图1　Snx:Bi-CVG样品在不同烧结温度下的密度

3　结果与讨论

3.1烧结性能

图1为Snx:Bi-CVG试样的密度随烧结温度的变化关系。由图表明，对于相同组分的样品密度随着烧结温度升高而逐渐增大，到1075℃后继续升高烧结温度，其密度值变化不明显甚至有所减小。因此我们认为，Sn掺杂Bi-CVG样品的烧结温度在1075℃较佳。另外，对于同一烧结温度下的样品密度随着x值的增大，呈先增大后减小趋势。其中，烧结温度为1075℃的Sn0.4:Bi-CVG样品密度值为最大。

3.2XRD分析

不同Sn掺杂量的Bi-CVG样品在1075℃烧结温度下的XRD谱如图2所示。由图可知：在该烧结温度下，掺杂一定Sn含量(0.2≤x≤0.6)并不会改变其晶体结构，均可生成单一石榴石相。另外，从图中可以看出，Sn掺杂量为x=0.4的样品比其他含量样品的特征峰更尖锐，强度更强，说明成相更完全。

图2　不同Sn掺杂量(0.2≤x≤0.6)的Bi-CVG样品在1075℃烧结温度下的XRD图谱

3.3SEM分析

x=0.4的Snx:Bi-CVG试样在不同烧结温度下的微观形貌如图3所示。可以看出，试样随着烧结温度逐渐升高，其结晶逐渐完全，晶粒均匀长大，显微结构更加致密。但是相比于图3（d），图3（e）晶粒出现异常长大，且尺寸分布不均匀，这可能是试样过烧的缘故。因此我们认为，x=0.4的Snx:Bi-CVG样品，其烧结温度为1075℃时较佳。

图3　x=0.4的Snx:Bi-CVG试样在不同烧结温度下的微观形貌图

3.4介电性能

图4和图5分别为Sn组分x=0与x=0.4的Snx:Bi-CVG试样在12～15.2GHz微波频率范围内的介电常数ε´和损耗角正切值tgδ随频率的变化曲线图。Snx:Bi-CVG铁氧体在该频率范围内出现了谐振峰。这主要是因为多晶石榴石铁氧体在超高频极化场的介电行为与晶格振动紧密相关，当极化频率达到晶格振动频率时，后者试图打乱极化，故在很窄的频率范围内出现阻尼谐振，这种阻尼主要是由于石榴石结构的不完善和杂质的存在导致的[8-11]。由于Sn4+离子半径(0.071nm)与取代的Fe3+(0.061nm)半径不同，导致晶格结构略有变化，故谐振峰发生了平移。

由图4可以看出，在谐振频率范围之外，与未掺杂试样相比，Sn掺杂Bi-CVG试样介电常数ε´略为偏小，但是不明显。这是因为在微波频率下，YIG铁氧体介电常数ε´变化主要取决于极化能力更大的Fe2+离子含量变化。本实验中，由于Sn4+离子取代部分Fe3+离子，这将导致Fe3+离子向Fe2+离子转化的几率变小，故ε´将随Fe2+含量降低而略为减小。整体上看，Sn0.4：Bi-CVG样品的介电常数ε´在12.6～14.7（极化场频率小于谐振频率段时）和9.7～11.7（极化场频率大于共振频率段时）范围内变化，介电损耗tgδ大约在1.1×10-3～9.2×10-3范围内变化。

4小结

以Bi2O3、Fe2O3、CaCO3、V2O5、SnO2、Y2O3为原料，采用传统固相烧结法制备了Snx:Bi-CVG铁氧体。实验结果表明，（1）组分x=0.4时的试样在1075℃烧结6h，烧结体密度达到最大值，其烧结温度可与Ag-Pd合金（1145℃）实现共烧。（2）在1075℃烧结温度下，Bi-CVG样品掺杂一定Sn含量(0.2≤x≤0.6)并不会改变其晶体结构，均可生成单一石榴石相。（3）Sn0.4:Bi-CVG试样在1075℃烧结后介电性能良好：当极化场频率小于谐振频率范围时，Sn0.4：Bi-CVG试样的介电常数ε´在12.6～14.7范围内，当极化场频率大于共振频率范围时，介电常数ε´在9.7～11.7范围内，介电损耗tgδ大约在2.0×10-4～7.2×10-3范围内变化。

图4　4　x=0与x=0.4的Snx:Bi-CVG样品的介电常数ε´随频率的变化曲线

图5　5　x=0与x=0.4的Snx:Bi-CVG样品的介电损耗tgδ随频率的变化曲线

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作者简介：李宁（1985-），男，陕西榆林人，榆林职业技术学院助教。