β-BZT陶瓷中添加MoO3及气氛烧结

　　微波电路的集成化要求微波介质材料具有高介电常数,低损耗(或高品质因数Q值),低烧结温度及温度稳定性。近年来,Bi基焦绿石材料Bi2O3-ZnO-Ta2O5因其相对低的烧结温度和优良的介电性能已倍受关注[1-13]。该材料体系根据配比不同共有立方相Bi1.5ZnNb1.5O7(α-BZT)和单斜相Bi2(Zn1/3Nb2/3)2O7(β-BZT)两种结构。纯β-BZT的介电常数(εr)约65~75,无载Q值可达1 000,电容温度系数(τC)约76×10-6/℃,但烧结温度约为1 050~1 100℃,若能进一步降低其烧结温度,并保持优良的介电性能,β-BZT将更适合实际应用。MoO3是一种低熔点氧化物,其熔点为795℃,易与其他氧化物形成低熔点固熔体。本文研究了添加不同量的MoO3及气氛烧结对β-BZT结构和介电性能的影响。

　　1　实验

　　本实验采用分析纯的Bi2O3、ZnO、Ta2O5和MoO3作为起始原料。采用传统的固相反应工艺和两步合成法制备样品。先将ZnO和Ta2O5按照化学计量比混合,一次煅烧合成ZnTa2O6。然后按比例配入Bi2O3和MoO3,再次煅烧后,压片烧结。采用METTLER TOLEDO天平及密度附件测试样品密度;利用德国布鲁克D8-XRD分析仪进行相结构分析;自然表面形貌在日本电子的JSM5510电子扫描显微电镜(SEM)下进行观察;1 MHz下材料的介电性能和温度谱线通过HP4284A LCR精密测试仪器进行测试;微波性能则采用开腔式平行板谐振法在HP8531E网络分析仪中进行测试。

　　2　结果与分析

　　2.1　密度

　　图1为w(MoO3)分别为0. 05%、0.10%、0.50%和1.00%时,在最佳烧结温度(930~950℃)下样品的密度。由晶格常数[13]可计算出,纯β-BZT的理论密度为9.028 g/cm3;添加后样品的相对密度大于96.5%,所以各样品均烧结致密,成瓷良好。密度呈随添加量增多而减小的趋势,可能与Bi2O3的挥发有关,后面的XRD和SEM数据证明了这一点。O2中样品密度最大,N2中样品密度最小。一般,N2的低氧分压造成样品的氧空位增多,有利于物质的扩散,从而加速陶瓷致密化,所以N2中烧结的样品密度应大于空气中烧结样品;但各配方中氧的含量只是根据其他金属元素的配比计算出的理论值,实际样品中氧的含量强烈依赖于烧结情况。N2的低氧分压导致样品中氧的实际含量少于配方中氧的理论含量,从而使得单位体积内分子量减少,导致密度减小。在此实验中,可能后者的影响大于前者,最终的效果为N2中烧结样品的密度小于空气中样品。O2中烧结样品的密度均大于空气中烧结样品的密度,正好验证了上述猜想:O2中烧结的样品富含氧,单位体积分子量增大,所以样品密度相对较大。

　　图1　不同配方的密度

　　2.2　XRD图谱

　　图2为各样品的XRD图谱。由图可看出,样品的结构基本上没有发生变化,还是单斜焦绿石相;w(MoO3)=0.50%和w(MoO3)=1.00%样品的相结构稍微变化,主晶相仍为单斜相,出现微量的杂相,尤其是烧结温度高的样品,杂相的含量增多。经分析杂相为氧化铋,也可能含有少量立方焦绿石相,说明随添加量增多,温度升高,部分Bi2O3析出,Bi的含量减少,配方更接近立方焦绿石BZT的配方,且高烧结温度也有利于单斜相向立方相的转变。