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1、CuO对BiNbO微波介质陶瓷的烧结性能的影响摘要即使在960c下进行烧结，未掺杂的BiNbO4陶瓷也难以达到致密化。CuO的加入可以提高BiNbO4陶瓷的致密化过程。 当CuO的添加量从0.125%增加至1.5%时，致密BiNbO4陶瓷的介电常数r从43.9下降到42.8，并且频率温度系数由4.5ppm /变化到31.2 ppm /。随CuO掺杂量的增加，品质因数Q首先增大，当CuO掺杂量为0.5wt.%时Q值达到最大，然后开始降低。在CuO掺杂BiNbO4体系中，当CuO添加量为0.5wt.% ，烧结温度为920时BiNbO4陶瓷能够达到最佳的微波介电性能：（r = 43:6，f =-20
2、:8 ppm / ，和Q=1610（Q f =10 070）。关键词：BiNbO4；微波介电性能；品质因素。1. 引言生产设备的小型、低温烧结和多层结构要求介电陶瓷材料能够与低熔点电极（如银、金）共烧。Ba2Ti9O20 1 ，Ba（Zn，Mg）1 / 3Ta2 / 3O3 2,3 ，（Zr，Sn）TiO4 4 ，Ba（Nd，Sm）2O3-TiO2 5,6 陶瓷系统是最常见的低损耗（高Q，Q=1/tan）和低谐振频率温度系数（f）适用于介质谐振器在微波频率的陶瓷材料。 Ba（Nd，Sm）2O3-TiO2陶瓷系统可以在1350达到烧结致密。Ba2Ti9O20陶瓷需要在烧结温度13801400才能
3、实现陶瓷致密化。用醇盐水解法来生产（Zr，Sn）TiO4和BaBa1 / 3（Ta，Nb）2 / 3O3，但是它需要一个非常高的烧结温度为1550到1600。这个烧结温度对微波介质材料来说太高，使得微波介质材料不能与低熔点的银电极和金电极共烧。所以对于采用低熔点电极来说，降低微波陶瓷的烧结温势在必行。添加低熔点玻璃，化学处理，和降低原料的粒度尺寸是三种常用的降低介电陶瓷的烧结温度的方法。铋基介质陶瓷是常用的被用来研究多层陶瓷电容器的低烧陶瓷材料7，然而，仅有Kagata etal.等8对BiNbO4陶瓷在微波频率下的介电性能进行了研究。由于BiNbO4陶瓷在不添加助剂条件下不能致密化，他们用C
4、uO和V2O5作为烧结添加剂。在这项研究中，我们还使用了BiNbO4和CuO分别作为主体材料和烧结助剂对其效果进行了研究。.研究发现，对于降低BiNbO4介质陶瓷的烧结温度到相同温度的CuO的添加量比Kagatetal报道的量要底。CuO的添加对BiNbO4陶瓷的烧结温度，结晶相的演变，并介电性能都有明显的影响。2. 实验过程 根据组合物BiNbO4，按比例摩尔比称取并试剂级原料Bi2O3和Nb2O5，用去离子水作球磨介质，玛瑙球作磨球装入Al2O3瓶在球磨机上球磨5h。将球磨后的试剂进行干燥，在玛瑙研钵里研磨1 h，然后将粉末在800煅烧3小时。采用粉末X射线衍射研究煅烧粉末的晶体结构。再将
5、煅烧后的BiNbO4陶瓷粉末与0.1251.5wt.%的CuO以去离子水作溶剂球磨混合。干燥后的粉末，在钢模里单向加压压制成小球，将这些小球在880960之间的温度环境条件下进行烧结并保温4小时时间，还用X射线衍射研究CuO掺杂的BiNbO4陶瓷的晶体结构。 使用去离子水作为辅助液体采用阿基米德排水法测量不同温度下烧结样品的体积密度，研究不同烧结温度的CuO掺杂的BiNbO4陶瓷的体积密度。用扫描电子显微镜对烧结体试样的截面进行观察，研究样品的内部结构。用哈吉和科尔曼的介质谐振器法 9 测量在微波频率的介电特性，并用Courtney和Kobayashi等人的修正方法进行修正 10,11 。将样
6、品圆柱形介质谐振器放置在两个板之间的，用一个HP8510B网络分析仪和一个HP8340A型号发生器来微波特性测量。介电常数可以通过测量TE011谐振模式的谐振频率和，TE01谐振模式验证准确地确定。 谐振频率随温度的变化率及谐振频率温度系数f的定义如下： （1）式中和分别为80和0下的谐振频率； （2）3. 结果与讨论即使960烧结温度，未掺杂的BiNbO4陶瓷难以致密化。得到的体积密度约为理论密度的83.5%（TD，7.28克/立方厘米） 12 ，微波介电特性差。CuO对BiNbO4微波介质陶瓷在不同温度下烧结致密化的影响如图1所示。致密度随温度增加而增大，在一定温度达到最大值，然后开始小幅
7、回落。达到最大致密度的温度取决于添加CuO的含量，CuO的添加量较大时，致密化温度较低。CuO量的添加为0.125wt.%和0.25wt.%时，BiNbO4陶瓷可在960和940时分别得到约为96.6%和98.6%的致密度。当CuO添加量为0.5wt.%1wt.%的范围，BiNbO4陶瓷可以在900920达到致密化。因此，认为CuO可以作为对BiNbO4陶瓷烧结助剂。 图1. 图2.根据XRD结果，煅烧后导致BiNbO4粉末由BiNbO4和Bi5Nb3O15轻微相形成主晶相Bi8Nb18O57，如图2所示（一）。同时，添加不同含量CuO的BiNbO4陶瓷在920烧结后的样品的表面X-射线衍射图
8、谱也如图2所示。要限制Bi8Nb18O57和Bi5Nb3O15相的产生，只有低温相稳定在1020以下， 掺杂BiNbO4和未掺杂的BiNbO4陶瓷低温相稳定温度如图2（b）-（e）显示。当CuO的添加量小于或等于0.5wt.%时，XRD衍射图谱表明，未掺杂的陶瓷和掺杂CuO的陶瓷之间没有结晶相位差。当CuO的添加量大于0.5wt.%时，掺杂CuO的BiNbO4陶瓷中出现一些未知相。在图2的基础上（C）（E），BiNbO4相的衍射强度明显下降为CuO添加量的增加。由图2（c）-（c）可以看出，随着CuO添加量的增加，BiNbO4相的衍射强度明显下降。这些结果表明，CuO可以形成共晶的煅烧粉末，并
9、促进Bi8Nb18O57和Bi5Nb3O15形成BiNbO4相，从而CuO可以作为对BiNbO4陶瓷的烧结助剂。 但过量CuO的加入可抑制BiNbO4相结晶。由图3中掺杂CuO的BiNbO4陶瓷的SEM照片可以看出，随着CuO的加入，更容易对BiNbO4陶瓷致密化是显而易见的，如图3所示。 BiNbO4晶粒大小分布主要是由CuO的添加量和烧结温度决定。对于掺杂 0.25wt.%的CuO的BiNbO4陶瓷，即使在920烧结后，孤立的BiNbO4陶瓷颗粒和孔隙也是很容易观察到，如图3所示（一）。对于掺杂0.51wt.%和1wt.%的CuO的BiNbO4陶瓷，有一定尺寸的孔在920烧结后可以很容易地
10、消除如图3（b）和（c）所示。 对于掺杂0.25wt.% - CuO添加剂的BiNbO4陶瓷，如图3所示（D），在940烧结的 BiNbO4陶瓷，几乎没有孔隙均匀的细晶组织。 图3.对BiNbO4陶瓷不同烧结温度和CuO添加量下的微波介电常数的测定结果如图4所示，随着BiNbO4中CuO添加量的变化，品质因数（Q）和谐振频率温度系数（f）对CuO的添加量很敏感，但介电常数(r)并不敏感。如图4所示，介电常数(r)与烧结温度之间的变化关系和密度随烧结温度的变化趋势的相同。“BiNbO4陶瓷的r随烧结温度的增加而增加，然后达到一个饱和值。这个饱和值会随着CuO含量的增加转移到较低的温度下的，这些结
11、果也可能通过增加烧结温度的升温速率造成。然而，当CuO的添加量大于0.5wt.%，烧结温度可以减少到900920而介电常数无明显变化。 在不同温度下添加不同CuO时测量得到BiNbO4陶瓷的最大Q值、最大值和在最大Q值下的谐振频率温度系数f，如表1所示。根据X射线衍射图可以看出，掺杂CuO的BiNbO4晶相是BiNbO4陶瓷在1020以下稳定低温相。.因此，对Q和f值的变化被认为是由于CuO的影响，对BiNbO4陶瓷，得到最佳的Q值的烧结温度由CuO的添加量控制。随着CuO的添加量的增加，Q和先增加，当CuO添加量达到0.5wt.%时达到最大值，然后随着CuO的添加进一步增加明显减少。 当Cu
12、O的添加量小于0.5wt.%时，Q值也许是因为BiNbO4陶瓷密度增加和晶粒生长而导致增加的。 随着BiNbO4陶瓷的密度和晶粒尺寸增加比较图3（a）和（b），气孔和晶界面积减少，从而减少晶格缺陷和介电损耗和提高Q值 13 。当CuO的添加量大于0.5wt.%时，Q值明显降低比较图3（b）和（C）。然而，当大量使用烧结助剂时，晶界将逐渐增多，这将导致损耗增加 14 ， 这样的介电损耗显著变化是很难由晶格缺陷和晶界缺陷解释的。当CuO的添加量不断增加时，f值稳步朝更大的负价值变化。 表1表明CuO的添加从0.125wt.%增加至1.5wt.%的量，f值从-6.2 ppm /变化到-31.5 pp
13、m /。这些结果还表明，由于CuO添加量大于0.5wt.%时，会导致Q值降低和较高的负f值，因此不必要继续增加CuO的添加量。 图4. 表1.待添加的隐藏文字内容24. 结论1. 添加0.5wt.% CuO作为烧结助剂时，BiNbO4陶瓷可以在920达到98%的致密度，CuO添加量高于0.75wt %时BiNbO4陶瓷可以在900达到致密化。2.当CuO的添加量从0.125wt.%增加至1.5 wt.%时，致密的BiNbO4陶瓷的f值稳步地从-6.2ppm/c向-31.2ppm/c变化。3.BiNbO4陶瓷在添加0.5wt.% CuO时，在920烧结得到最佳的介电特性的：Q=1610、f=-20.8ppm / 。由于BiNbO4陶瓷在添加0.25wt.%0.75wt.%CuO时烧结温度低于940而且Q值均大于1350，所以这些添加CuO的BiNbO4陶瓷可发展为多层过滤材料。
