(Bi2-xZnx)(Ti2-xNbx)O7陶瓷的结构与介电性能

　　Bi2O3-ZnO-Nb2O5(BZN)基陶瓷因具有良好的介电性能,较低的烧结温度,在低温共烧陶瓷和微波无源器件材料方面具有良好的发展前景,近年来得到了广泛关注[1-5]。BZN体系有两种典型的晶体结构:(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7(α-BZN)立方焦绿石结构和Bi2Zn2/3Nb4/3O7(β-BZN)单斜钙钛锆石结构[6]。其中α-BZN在低频1 MHz条件下有较低的介电损耗tanδ<6×10-4 [7],但在微波频段下损耗急剧增加,这可能与其低温介电弛豫有关,国内外的学者对弛豫机理作了很多研究[8-11]。但对材料组分如何影响介电弛豫、弛豫与微波性能的关系等研究报道不多。研究其他具有宽固溶度的铋基焦绿石结构材料,对揭示结构与性能间的关系有重要意义。本文研究(Bi2-xZnx)(Ti2-xNbx)O7(0.4≤x≤1)组分系列的结构、介电弛豫及其微波性能。

　　1　实验

　　以固相反应法制备(Bi2-xZnx)(Ti2-xNbx)O7陶瓷样品,其中x=0.4,0.6,0.8,1.0。实验所用原料为Bi2O3(纯度99. 544%)、Nb2O5(纯度99.575%)、ZnO(纯度99%)和TiO2(纯度99%)。按照化学计量比配料,将料置于尼龙球磨罐中球磨24 h,出料后烘干、压块;850~900℃条件下预烧2 h,将预烧块粉碎、过筛,球磨24 h,出料烘干后的粉体过200目筛(筛孔尺寸为0.075 mm),加入8%的聚乙烯醇作为粘结剂进行造粒,在100 MPa压力下,压制成直径 10 mm、厚度1 mm和直径 15 mm、厚度7 mm的柱体,在950~1 100℃条件下烧结,保温时间为2 h。

　　采用日本电子株式会社的JSM-5510LV型扫描电子显微镜(SEM)观察样品形貌。用德国Bruk-er公司D8 Advanced X-射线衍射仪(XRD)分析相结构。陶瓷样品抛光披银后用安捷伦公司HP4284A精密LCR测试仪测试介电性能。用HP8753E网络分析仪测试样品的微波性能。介电常数温度系数

　　τk=(ε2-ε1)/[ε1(θ2-θ1)] (1)

　　式中　ε1为θ1温度时的介电常数(θ1=25℃);ε2为θ2温度时的介电常数(θ2=125℃)。谐振频率温度系数τf计算公式与此相同,θ1=25℃,θ2=85℃。

　　2　结果与分析

　　2.1　XRD相结构分析

　　(Bi2-xZnx)(Ti2-xNbx)O7=(0.5x)Bi2Ti2O7+(1- 0. 5x)·Zn2Nb2O7,可看成A3+2B4+2O7和A2+2B5+2O7两种构型的复合。对于A3+2B4+2O7型焦绿石体系,结构的稳定范围为1.46≤RA/RB≤1.80,RA/RB为A、B位的加权离子半径比,称为结构容忍因子;而A2+2B5+2O7型焦绿石体系范围为1.4≤RA/RB≤2.2[12]。Bi3+、Zn2+的八配位离子半径分别为117 pm、90 pm,Ti4+、Nb5+的六配位离子半径分别为60.5 pm、64 pm[13]。当x从0.4上升到1.0,RA/RB从1.82下降到1.66,基本处在上面两种构型的稳定范围内。从晶体场稳定性考虑,小半径的Ti4+更倾向于占据B位。图1为(Bi2-xZnx)(Ti2-xNbx)O7陶瓷样品的XRD谱。由图可见,当0.4≤x≤1.0时,所有样品均为立方焦绿石结构(对照粉末衍射卡片PDF53-0803),形成了(Bi2-xZnx)(Ti2-xNbx)O7固溶体。