气氛烧结钛酸锶钡陶瓷微观组织结构研究

段 冰，罗 毅，徐 浩

（宜宾红星电子有限公司 四川 宜宾 644604）

1 引言

钛酸锶钡材料以其具有高介电常数、低介电损耗、大调谐率、简单的制造工艺而受到了广泛的欢迎[1-3]。因此吸引了众多研究者对BST陶瓷展开了研究。

Rhim等[4]通过添加0.5wt%B2O3使BST陶瓷的烧结温度降到1150℃。Matjaz等[5]采用0.4wt%Li2O掺杂BST陶瓷，烧结温度可以降低到900℃，但是会在材料中产生少量杂相。程华容等[6]在BaxSr1-xTiO3中掺杂适量B2O3后与未掺杂相同成分BST陶瓷烧结温度相比，烧结温度可降低150℃。丑修建等[7]对Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷进行了B2O3-Li2O复合掺杂，其烧结温度可降至975℃，但是需较长的烧结时间。L.C.Sengupta等[8]系统研究了Al2O3、ZrO2和MgO的添加对BST材料介电性能的影响，发现BST/MgO材料的介电常数大幅降低，综合介电性能较好。对于BST介质材料，高频损耗会影响器件的正常运行，降低器件的灵敏度。因此，如何减小高频损耗一直是BST可调性材料的研究热点之一，而BST陶瓷的介电损耗与烧结成瓷后的微观组织结构、相结构、缺陷等有着密切的联系，因此，本文拟通过气氛烧结来进一步改善BST陶瓷的微观组织结构。

2 实验制备与物理性能测试

以BaCO3、SrCO3和TiO2为原料，采用氩气保护烧结合成BaxSr1-xTiO3(x=0.2、0.3、0.4、0.45）。具体制备工艺如下：按照BaCO3：SrCO3：TiO2的化学计量来称量。将称好的原料放入球磨罐当中，加入酒精作为球磨介质，球磨12 h后将混合均匀的浆料在烘箱中烘干，用200目的筛网过筛，在1150℃气氛保护炉里保温2 h，合成BST粉体。将预烧的BST粉体，放入球磨罐中，加入酒精介质，球磨12 h。取出，在50℃下烘干，最后加入PVA进行造粒。造粒完成后，在模具直径为Ф12 mm下进行压片，压制成Ф12×1 mm的圆片式样，将生坯升温至500℃，保温30 min进行排胶。将排完胶的坯料分别在1380℃、1400℃、1420℃、1450℃气氛烧结炉中烧结成Ba0.2Sr0.8TiO3、Ba0.3Sr0.7TiO3、Ba0.4Sr0.6TiO3、Ba0.45Sr0.55TiO3陶瓷，分别简写为BSTx=0.2、BSTx=0.3、BSTx=0.4、BSTx=0.45。

采用X射线衍射技术分析并测定试样的相组成；采用日本电子公司的JEM5800型扫描电子显微镜观察微观组织结构；采用英国牛津ISIS能谱分析仪进行微区成分分析。

3 结果与讨论

按上述工艺制备出BST陶瓷，其相对密度和收缩率分别如图1（a）、（b）所示。从图可以看出1420℃烧结成瓷的样品其相对密度和收缩率最好，因此以下讨论的结果都是基于1420℃烧结的样品

图1 BaxSr1-xTiO3陶瓷相对密度和收缩率

图2是BST陶瓷在1420℃烧结后的XRD图谱。从图2中可以看出，所有陶瓷试样的主晶相均具有立方钙钛矿结构。这表明BaTiO3和SrTiO3是相互固溶的，随着锶含量的增加，各衍射峰位均逐渐向高角度方向移动。

图2 1420℃烧结2h的BaxSr1-xTiO3陶瓷XRD图谱

图3是采用XRD数据计算得到的BST晶格常数随x的变化图，可以看出随着x值的增加，即Ba含量的增多，样品的晶胞参数和晶胞体积都不断增加。

图3 BST晶胞参数a随x含量的关系图

图4为BSTx=0.2陶瓷样品打磨抛光后于1320℃下热腐蚀半个小时后的SEM图像（BSTx=0.3、BSTx=0.4、BSTx=0.45陶瓷SEM照片与BSTx=0.2陶瓷类似）。从SEM照片可以明显看出，经热腐蚀后的样品由不均匀的含有较少气孔的大块状和小块状晶粒组成，而不同组分的样品，其大块状和小块状晶粒含量不同，不同形貌的晶粒交互排列。

图4 BaxSr1-xTiO3陶瓷样品的SEM图像

图5为采用直线法测得的BST陶瓷晶粒的平均尺寸随x的变化曲线，从中可见晶粒尺寸随着Ba2+含量的增加而增大。

图5 BST陶瓷晶粒平均尺寸随x的变化

表1为BST陶瓷为EDS结果及Ba2+和Sr2+含量的摩尔百分比。从图和表中可以看出，在大块状晶粒中，其原子比例符合BST（x=0.2、0.3、0.4、0.45）的化学计量比。

表1 Ba、Sr的元素含量及其比值

4 结语

本文通过配比不同元素比例的BST陶瓷，研究了气氛烧结对BST陶瓷微观组织的影响。研究表明在1420℃可烧结制备出成瓷性好、高密度的BaxSr1-xTiO3（x=0.2、0.3、0.4、0.45）陶瓷，BST陶瓷结构均为立方钙钛矿结构，相结构表明晶格常数随Ba含量的增多而增大，微观组织表明随着Ba含量的增加，BST陶瓷的小晶粒减少、大晶粒增多、晶粒更加粗大、组分更加均匀。