烧结温度对LaCrO3陶瓷介电性能的影响

汪哲铖，刘银，翟 倩，滕艳华

（安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽淮南232001）

铬酸镧（LaCrO3）具有典型的钙钛矿晶体结构，其具有良好的耐化学腐蚀性以及高温下化学与物理稳定性，被广泛应用于磁流体发电机的电极材料、高温电热元件和固体氧化物燃料电池等方面[1-3]。LaCrO3陶瓷作为固体氧化物燃料电池的连接体材料导电能力较差，其中很重要的因素是其烧结性能不好，对于如何改善LaCrO3陶瓷的烧结性能以提高其导电性已经有了广泛研究[4-7]。铬酸镧粉体形态、比表面积以及掺杂元素和量等是影响其烧结性能的重要因素[8-10]。在目前研究报道中，大多数通过掺杂和制备方法改进LaCrO3陶瓷高温下性能[11-14]。本文采用氧化物为原料，通过传统固相法合成LaCrO3粉体并烧结得到LaCrO3陶瓷，研究其烧结温度对其微观形貌、致密性及其介电性的影响。

1 实验部分

1.1 LaCrO3陶瓷制备

将La2O3和Cr2O3粉末按化学计量比称量，置于聚四氟乙烯球磨罐，以无水乙醇和氧化锆球为球磨介质，通过行星式球磨机混合5 h，80℃干燥24 h，然后1 000℃煅烧3 h得到LaCrO3粉末。将煅烧得到粉体加入适量聚乙烯醇（PVA，8%）作为粘接剂，混合造粒，并干压成型得到生坯。最后将生坯置于高温炉中，在1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃分别烧结 4 h 得到LaCrO3陶瓷。

1.2 表征

采用X射线衍射仪（Shimadzu LabXXRD-6000）进行物相分析，通过阿基米德法测试LaCrO3陶瓷体积密度及气孔率，采用扫描电子显微镜（FESEM，Gemini Sigma 300/VP）观察其微结构，采用介电频谱仪（TH2828S）测试室温下LaCrO3陶瓷介电性能。

2 结果和讨论

2.1 物相分析

图1为不同温度下烧结得到LaCrO3陶瓷XRD图谱。由图1可知，不同温度下烧结得到LaCrO3陶瓷特征衍射峰与LaCrO3的标准PDF卡片JCPDS No.75-288完全吻合，其衍射尖锐且无杂峰，均表明得到了纯钙钛矿晶体结构。

图1 不同温度烧结得到LaCrO3陶瓷XRD图谱Fig.1 XRD patterns of LaCrO3ceramics sintered at different temperatures

2.2 体积密度和气孔率

图2为不同温度下烧结得到LaCrO3陶瓷的体积密度和气孔率。随着烧结温度升高，其体积密度增大，气孔率减小。当烧结温度为1 200℃时，样品体积密度最大达到5.66 g/cm3。然后随烧结温度升高，其体积密度减小，气孔率增大。

图2 不同温度烧结4 h得到LaCrO3陶瓷的体积密度和气孔率Fig.2 Density and porosity of LaCrO3ceramics sintered at different temperatures for 4 h

2.3 SEM分析

图 3 为在 1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃分别烧结4 h得到LaCrO3陶瓷的SEM照片。由图3可知：样品的颗粒呈球状或椭圆状，分布较均匀。随着烧结温度升高，LaCrO3陶瓷的结构逐渐致密，且颗粒尺寸逐渐增大[图 3（a）（b）]。在 1 200℃烧结 4 h，LaCrO3陶瓷的结构致密度最佳，其颗粒尺寸约为 1 μm～2 μm[图 3（c）]。当烧结温度为1 250℃时，LaCrO3颗粒粗化，结构变得疏松，表明其已经出现过度烧结的现象，这与图2 LaCrO3陶瓷烧结性能相一致。

图3 不同温度烧结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 介电性能

图4为不同温度下烧结得到LaCrO3陶瓷的介电常数（εr）和介电损耗（tanσ）随频率（KHz）变化的关系曲线。

从图 4（a）可以看出，1 100℃～1 250℃温度范围内的LaCrO3介电常数随着频率的增大而减小，逐渐趋于稳定。这可能归因于纯LaCrO3陶瓷中的氧空位难以形成，氧空位数非常少。测试频率为200 KHz时，其中烧结温度为1 100℃时，介电常数最高达到1 696。随着烧结温度的变化，当烧结温度为1 150℃时，介电常数为482，烧结温度的变化导致介电常数的急剧变化。

图 4（b）为介电损耗（tanσ）随频率（KHz）的变化。介电损耗变化的总趋势与介电常数随频率变化相似，区别在于低频范围内急剧下降，在高频范围内能达到恒定的静态值。这可能归因于纯LaCrO3陶瓷中的氧空位难以形成，氧空位数非常少。不同烧结温度下LaCrO3的介电性能表现出极大差异，原因在于其烧结性能、气孔率高低的差异、颗粒尺寸大小的不同都会对内部空间电荷极化产生影响。

图4 不同温度烧结4 h得到LaCrO3陶瓷的介电性能Fig.4 Dielectric properties of LaCrO3ceramics sintered at different temperatures for 4 h

3 结论

采用固相法制备了LaCrO3样品的最佳烧结温度约为1 200℃，体积密度可达到5.657 9 g/cm3。最佳烧结温度下LaCrO3样品颗粒呈球状，直径约为1μm，颗粒之间的团簇现象几乎消失，结构致密，有较好的均匀性。此外，介电常数（1 150℃除外）和介电损耗随频率增大而下降，介电损耗在高频可保持恒定静态值。