微波烧结高介电常数钛酸钡复合材料的研究

2013-10-19 周媛国电科学技术研究院

　　分别采用微波烧结和传统烧结的方法对钛酸钡复合材料进行烧结。从微观结构、烧结后样品的收缩率、样品的电容以及介质损耗因数等几个方面进行了比较分析。结果表明：微波烧结比传统烧结得到的样品具有更致密、更均匀的微观结构。微波烧结对样品线性收缩率终值影响不大，但会增强烧结密度，使开始收缩温度降低20～25℃，得到的样品具有更小的介质损耗。

引言

　　微波是一种频率为0.3～300 GHz 的电磁波，材料的微波烧结始于20 世纪60 年代中期，Levinson 和Tinga 首先提出陶瓷材料的微波烧结；到70 年代中期，法国的Badot 和Bxrtcand 及美国的Sutton 等开始对微波烧结技术进行系统研究；近20 年来，微波技术在陶瓷领域已成为研究的热点，并成功地制备出了SiO2、B4C、TiO2、ZrO2等陶瓷材料及陶瓷复合材料。美国的Spheric 技术公司指出使用微波烧结比常规烧结方法可节约能源80%，微波烧结的时间为常规烧结方法的十分之一。

　　钛酸钡是电容制作中使用最广泛的电子陶瓷材料。钛酸钡有良好的介电性能，与其它含铅化合物相比，是一种环境友好型材料。但钛酸钡陶瓷材料的常规烧结方式存在很多问题，例如烧结温度高(≥1300 ℃)、烧结时间长以及过度的晶粒生长。

　　本研究采用了一种创新的微波烧结方式，使纳米陶瓷的整个加工时间和成本都能够降低，制造出性能更加优良的材料。

1、实验

　　1.1、原材料

　　钛酸钡：100 nm，日本堺化学工业有限公司；掺杂剂：美国MRA实验室；6 种不同成分的玻璃粉：比利时AGC玻璃有限公司；磷酸酯：分析纯，美国罗纳普朗克公司；含醇量85%的松油：美国达尔文化学公司；聚乙烯醇缩丁醛：首诺公司；乙基纤维素(EC)：化学纯，荷兰海利格斯公司；二氧化锆磨球：直径为2.8～3.3 mm，德国。

　　1.2、添加玻璃体系的掺杂钛酸钡复合材料的制备

　　1.2.1、粘合剂的制备

　　混合浆料中使用的粘合剂包含聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和不同分子量的乙基纤维素(EC)(型号分别为N4、N10 和N22)。PVB、EC 的质量比为2∶3。PVB、EC N4、EC N10 和EC N22 质量分数分别占总浆料的1.2%、0.6%、0.6%和0.6%。搅拌过程中缓慢将PVB加入松油中，待PVB全部溶解后，再逐步将EC从低分子量到高分子量加入。最后放入电磁搅拌器中搅拌12 h，直到得到均匀分散的粘合剂。

　　1.2.2、浆料制备

　　将钛酸钡粉末、磷酸酯(分散剂)、松树油(溶剂)、掺杂剂分别和不同种类的玻璃粉(GF1～GF6)混合，各组份用量见表1，其中6 种玻璃纤维的成分含量见表2，装料量应盖住球面后高出约5 cm，球磨12 h 后加入上述粘合剂，继续球磨12 h，最后获得均匀的浆料。

表1 浆料配方

浆料配方

　　注：玻璃纤维先掺杂于纯钛酸钡粉末，然后一起加入浆料。

表2 玻璃纤维GF1～GF6的成分含量表

玻璃纤维GF1～GF6的成分含量表

　　1.2.3、烧结实验

　　实验用到的炉子共有两种，为常规加热的管式炉和微波炉。

　　传统烧结使用常规加热的管式炉。样品首先需要在常规的管式炉中进行排胶。排胶过程样品在400 ℃加热2 h，升降速率均为1 ℃/min。完成排胶后进行烧结，升降温速率均为10 ℃/min，烧结温度是1 050 ℃，保温2 h。微波烧结实验在微波炉腔中进行。炉腔的最大功率为6 kW，在此功率下可产生频率为2.45 GHz的微波。微波炉有一个搅拌器，转速为70 r/min，来自磁控管的微波经搅拌器反射后可发射到炉腔中。实验中微波的输出功率以120 W 的速率由840 W匀速升到1 800 W。达到30%的最大功率时，维持这个功率1 min 后关掉。1 800 W经维持运行1 min 就可达到烧结温度1 050 ℃，在此温度下保温1 h。

　　1.3、材料的测试与表征

　　微观形貌使用Leo 1530VP 场电子枪扫描电镜FEG-SCM进行分析。

　　热膨胀使用混合炉(炉子自带膨胀计)进行测量，使用纯常规的加热方式测量初始粘结温度。介电性能使用同惠电子TH2828 电桥测试和MS2671A耐压测试仪测试。