一种介电常数可控的钛酸锶钡陶瓷材料的低温制备方法

摘要

本发明公开了一种介电常数可控的钛酸锶钡陶瓷材料的低温制备方法。该方法以分析纯BaCO

说明书

技术领域

本发明涉及电子材料技术领域，尤其涉及一种介电常数可控的钛酸锶钡陶 瓷材料的低温制备方法。

背景技术

钛酸锶钡（BST）是钛酸钡（BaTiO₃）和钛酸锶（SrTiO₃）的固溶体，是一 种具有典型的ABO₃钙钛矿结构的铁电材料，因具有较高的介电常数、低的介电 损耗和小的漏电流、大的介电可调性及较高的热释电系数等优点在动态随机存 储器、集成微波电器、红外探测器等领域具有广阔的应用前景。

由于纯的BST陶瓷具有机械性能差、介电损耗较大、漏电流大、居里峰较 窄、热释电性表现等不足，研究者们普遍采用掺杂改性来提高BST的综合性能。 对ABO₃型钙钛矿结构的BST来说，掺杂分为A位的施主掺杂和B位的受主掺 杂。A位掺杂的施主离子主要包括：Ce⁴⁺，Dy³⁺，La³⁺，Sm³⁺，Nd³⁺，Pr³⁺等， A位掺杂能较大改变BST的微观形貌、介电性和热释电性；B位掺杂的受主离 子包括：Al³⁺，Cr³⁺，K⁺，Fe³⁺，Fe²⁺，Mn³⁺，Mn²⁺，Mg²⁺，Y³⁺等。各类掺杂元 素都使BST陶瓷材料的性能有一定的优化效果，使BST材料的介电调谐率增加、 漏电流减小、介电损耗较低和热释电性提高等。

若使用传统陶瓷制备工艺制备的钛酸锶钡陶瓷，最终烧结温度要在 1380℃～1400℃，即使采用化学方法制备粉体后，其烧结温度也在1300℃以上。 值得注意的是，本发明采用机械力化学法，机械力化学法是通过高能球磨实现 的超细粉碎过程使固体颗粒晶粒细化，产生微裂纹、晶格畸变、表面能升高、 反应能力增强，从而实现低温化学反应。

本发明涉及一种介电常数可控的钛酸锶钡陶瓷材料的低温制备方法，首先 采用机械力化学法降低钛酸锶钡的烧结温度，其次，通过氧化铈掺杂来调节其 介电常数，从而实现低温下制备介电常数可控的钛酸锶钡陶瓷材料，为其进一 步应用打下基础。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种介电常数可控的钛酸锶 钡陶瓷材料的低温制备方法。该方法采用机械力化学法，并通过氧化铈掺杂来 调节其介电常数，实现了低温下制备介电常数可控的钛酸锶钡陶瓷材料。

本发明采用如下技术方案：

本发明的介电常数可控的钛酸锶钡陶瓷材料的低温制备方法的具体步骤如 下：

(a)以BaCO₃，SrCO₃，CeO₂和TiO₂为原料，按照化学计量比Ba_xSr_1-xTiO₃配料，其中x＝0.3～0.8，CeO₂添加量为Ba_xSr_1-xTiO₃的0～1wt.%；

(b)将配好的物料放入球磨罐中，球磨时间为20～40小时；

(c)将球磨后的物料在900-1100℃下煅烧1～3小时，取出后再球磨4～6小时， 过筛；

(d)将过筛后的物料在150～250MPa下等静压成型，得到直径为12mm，厚度 为1～1.5mm的圆片；

(e)将成型后的圆片在1050～1150℃下保温2～3小时，得到钛酸锶钡陶瓷。

步骤（a）中，BaCO₃，SrCO₃，CeO₂和TiO₂为分析纯。

步骤（a）中，其中，优选x=0.4。

步骤（a）中，优选CeO₂添加量为Ba_xSr_1-xTiO₃的0.4wt.%。

步骤（b）中，优选球磨时间为30小时。

步骤（b）和步骤（c）中，球磨机采用行星磨或振动磨。

行星磨机的操作参数为公转转速200～300r/min，自转转速150～250r/min，球 料比为20～30∶1。

步骤（c）中，优选将球磨后的物料在1000℃下煅烧2小时。

步骤（d）中，优选将过筛后的物料在200MPa下等静压成型。

步骤（e）中，优选将成型后的圆片在1100℃下保温2～3小时。

本发明的介电常数可控的钛酸锶钡陶瓷材料的低温制备方法采用机械力化 学法降低钛酸锶钡的烧结温度，通过氧化铈掺杂来调节其介电常数，从而实现 低温下制备介电常数可控的钛酸锶钡陶瓷材料。

附图说明

图1为掺杂不同含量氧化铈的钛酸锶钡陶瓷的X射线衍射图谱（XRD）。

图2为掺杂不同含量氧化铈的钛酸锶钡陶瓷的介电常数和介电损耗图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合附图1～2和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1：

首先，以分析纯BaCO₃，SrCO₃，CeO₂和TiO₂为原料，按照化学计量比 Ba_xSr_1-xTiO₃配料，其中x＝0.4，CeO₂添加量为BST的0wt.%称量，将称好的物料 放入球磨罐中，按不锈钢球∶料为20∶1的比例混料球磨，球磨时间为30小时， 磨机的操作参数为公转转速250r/min，自转转速200r/min；将球磨好的料在1000℃ 温度下煅烧2小时，取出后再球磨4小时，过筛；再在200MPa下等静压成型，得 到直径为12mm，厚度为1.2mm的圆片；将成型后的圆片在1100℃下保温2小时， 得到钛酸锶钡陶瓷，记为1#样品。利用X射线衍射仪对1#样品进行物相结构分析； 利用阻抗分析仪和网络分析仪测试1#样品的介电常数和介电损耗。测试结果见 图1～2所示。

图1中包括掺杂0wt.％氧化铈的钛酸锶钡陶瓷的X射线衍射图谱，从图1 中可以看出，所制备的陶瓷没有其他杂相，结果表明，利用本发明的方法制备 的钛酸锶钡陶瓷材料在相对较低的温度（1100℃）煅烧即可生成钛酸锶钡陶瓷。 从图2中可以看出，其介电常数和介电损耗分别为1610和0.088。

实施例2：

首先，以分析纯BaCO₃，SrCO₃，CeO₂和TiO₂为原料，按照化学计量比 Ba_xSr_1-xTiO₃配料，其中x＝0.4，CeO₂添加量为BST的0.2wt.%称量，将称好的物 料放入球磨罐中，按不锈钢球∶料为20∶1的比例混料球磨，球磨时间为30小时， 磨机的操作参数为公转转速250r/min，自转转速200r/min；将球磨好的料在1000℃ 温度下煅烧2小时，取出后再球磨4小时，过筛；再在200MPa下等静压成型，得 到直径为12mm，厚度为1.2mm的圆片；将成型后的圆片在1100℃下保温2小时， 得到钛酸锶钡陶瓷，记为2#样品。利用X射线衍射仪对2#样品进行物相结构分析； 利用阻抗分析仪和网络分析仪测试2#样品的介电常数和介电损耗。测试结果见 图1～2所示。

图1中包括掺杂0.2wt.％氧化铈的钛酸锶钡陶瓷的X射线衍射图谱，从图 1中可以看出，所制备的陶瓷没有其他杂相，结果表明，利用本发明的方法制备 的钛酸锶钡陶瓷材料在相对较低的温度（1100℃）煅烧即可生成钛酸锶钡陶瓷。 从图2中可以看出，其介电常数和介电损耗分别为1250和0.071。

实施例3：

首先，以分析纯BaCO₃，SrCO₃，CeO₂和TiO₂为原料，按照化学计量比 Ba_xSr_1-xTiO₃配料，其中x＝0.4，CeO₂添加量为BST的0.4wt.%称量，将称好的物 料放入球磨罐中，按不锈钢球∶料为20∶1的比例混料球磨，球磨时间为30小时， 磨机的操作参数为公转转速250r/min，自转转速200r/min；将球磨好的料在1000℃ 温度下煅烧2小时，取出后再球磨4小时，过筛；再在200MPa下等静压成型，得 到直径为12mm，厚度为1.2mm的圆片；将成型后的圆片在1100℃下保温2小时， 得到钛酸锶钡陶瓷，记为3#样品。利用X射线衍射仪对3#样品进行物相结构分析； 利用阻抗分析仪和网络分析仪测试3#样品的介电常数和介电损耗。测试结果见 图1～2所示。

图1中包括掺杂0.4wt.％氧化铈的钛酸锶钡陶瓷的X射线衍射图谱，从图 1中可以看出，所制备的陶瓷没有其他杂相，结果表明，利用本发明的方法制备 的钛酸锶钡陶瓷材料在相对较低的温度（1100℃）煅烧即可生成钛酸锶钡陶瓷。 从图2中可以看出，其介电常数和介电损耗分别为1245和0.086。

实施例4：

首先，以分析纯BaCO₃，SrCO₃，CeO₂和TiO₂为原料，按照化学计量比 Ba_xSr_1-xTiO₃配料，其中x＝0.4，CeO₂添加量为BST的0.6wt.%称量，将称好的物 料放入球磨罐中，按不锈钢球∶料为20∶1的比例混料球磨，球磨时间为30小时， 磨机的操作参数为公转转速250r/min，自转转速200r/min；将球磨好的料在1000℃ 温度下煅烧2小时，取出后再球磨4小时，过筛；再在200MPa下等静压成型，得 到直径为12mm，厚度为1.2mm的圆片；将成型后的圆片在1100℃下保温2小时， 得到钛酸锶钡陶瓷，记为4#样品。利用X射线衍射仪对4#样品进行物相结构分析； 利用阻抗分析仪和网络分析仪测试4#样品的介电常数和介电损耗。测试结果见 图1～2所示。

图1中包括掺杂0.6wt.％氧化铈的钛酸锶钡陶瓷的X射线衍射图谱，从图 1中可以看出，所制备的陶瓷没有其他杂相，结果表明，利用本发明的方法制备 的钛酸锶钡陶瓷材料在相对较低的温度（1100℃）煅烧即可生成钛酸锶钡陶瓷。 从图2中可以看出，其介电常数和介电损耗分别为1400和0.078。

实施例5：

首先，以分析纯BaCO₃，SrCO₃，CeO₂和TiO₂为原料，按照化学计量比 Ba_xSr_1-xTiO₃配料，其中x＝0.4，CeO₂添加量为BST的1.0wt.%称量，将称好的物 料放入球磨罐中，按不锈钢球∶料为20∶1的比例混料球磨，球磨时间为30小时， 磨机的操作参数为公转转速250r/min，自转转速200r/min；将球磨好的料在1000℃ 温度下煅烧2小时，取出后再球磨4小时，过筛；再在200MPa下等静压成型，得 到直径为12mm，厚度为1.2mm的圆片；将成型后的圆片在1100℃下保温2小时， 得到钛酸锶钡陶瓷，记为5#样品。利用X射线衍射仪对5#样品进行物相结构分析； 利用阻抗分析仪和网络分析仪测试5#样品的介电常数和介电损耗。测试结果见 图1～2所示。

图1中包括掺杂1.0wt.％氧化铈的钛酸锶钡陶瓷的X射线衍射图谱，从图 1中可以看出，所制备的陶瓷没有其他杂相，结果表明，利用本发明的方法制备 的钛酸锶钡陶瓷材料在相对较低的温度（1100℃）煅烧即可生成钛酸锶钡陶瓷。 从图2中可以看出，其介电常数和介电损耗分别为1320和0.084。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。