0-3型混合共燒鈦酸鋇-鎳鋅鐵氧體復(fù)相陶瓷的形成及其電磁性能研究.pdf

1、0-3型鐵電鈣鈦礦/亞鐵磁鐵氧體復(fù)相陶瓷是一種重要的多鐵材料。它可用于實(shí)現(xiàn)多功能元器件，如用于制造電容/電感集成的濾波器，以進(jìn)一步促進(jìn)大規(guī)模集成電路的小型化，及用于改善可調(diào)元器件和傳輸、反射或吸收電磁波的元器件的阻抗匹配等。但是在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，這類材料極易發(fā)生晶相間離子的相互擴(kuò)散，從而容易生成雜相并增加空間電荷。這樣，它們通常表現(xiàn)出接近1的高的低頻介電損耗，從而限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。本文通過(guò)增加晶相間的惰性非晶相來(lái)阻隔0-3型BTO/

2、NZFO(BaTiO3/Ni0.5Zn0.5Fe2O4)鐵電/鐵磁復(fù)相陶瓷中兩相離子的直接互擴(kuò)散，以抑制雜相的生成并降低介電損耗，使其更適合于實(shí)際應(yīng)用。本文詳細(xì)研究了相組成、化學(xué)組成、不同NZFO前驅(qū)體粉末和外摻PBO(2PbO-B2O3)玻璃相對(duì)0-3型混合共燒多鐵BTO/NZFO（BaTiO3/Ni0.55Zn0.45Fe2.029O4）復(fù)相陶瓷的形成和電磁性能的影響，并探討了復(fù)相陶瓷中的電磁性能-結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)機(jī)理。主要結(jié)果如下:

3、>　　第一，本文發(fā)現(xiàn)，在用高燒結(jié)活性的燃燒法NZFO前驅(qū)體制備的BTO/NZFO復(fù)相陶瓷中形成了大量的非鐵電的六方BTO相。它是由兩相離子的互擴(kuò)散引起的。六方相和兩相互擴(kuò)散的存在增加了陶瓷的介電損耗，并降低了其磁導(dǎo)率。為了抑制六方相的生成和兩相互擴(kuò)散，用檸檬酸鐵取代硝酸鐵作為制備燃燒法NZFO的鐵源，獲得的前軀體NZFO中晶粒度減小也即界面非晶相含量增加。進(jìn)而在用這種NZFO粉末制備的BTO/NZFO復(fù)相陶瓷中，利用非晶相對(duì)擴(kuò)散離子的吸

4、收作用及對(duì)晶相間離子直接擴(kuò)散的阻隔作用，既成功地抑制了六方BTO的生成，也減少了擴(kuò)散離子對(duì)兩相的摻雜。這樣，NZFO含量在滲流閾值以下的復(fù)相陶瓷的低頻介電色散和介電損耗也就被降低了，獲得了即使在102 Hz的低頻處介電損耗也小于0.1的無(wú)雜相的多鐵BTO/NZFO復(fù)相陶瓷。這對(duì)于其走向?qū)嶋H應(yīng)用很有意義。
　　第二，對(duì)于用低燒結(jié)活性的NZFO(Ni0.55Zn0.45Fe2.029O4)前軀體制備的復(fù)相陶瓷，通過(guò)外摻高阻的PBO玻璃

5、相隔斷NZFO之間的導(dǎo)電通路，也成功地使其電導(dǎo)率下降了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，PBO玻璃相通過(guò)液相燒結(jié)機(jī)理也顯著降低了復(fù)相陶瓷的燒結(jié)溫度，并促進(jìn)了NZFO的顆粒長(zhǎng)大。由于NZFO顆粒的長(zhǎng)大和PBO對(duì)晶界的清洗作用，復(fù)相陶瓷在外摻4wt％PBO時(shí)磁導(dǎo)率最高可以提高200％。
　　第三，采用低于其化學(xué)計(jì)量比的Fe含量可以減小跳躍電子的濃度，從而NZFO陶瓷和高NZFO含量的BTO/NZFO(Ni0.5Zn0.5Fe2O4)陶瓷的低頻巨介

6、電常數(shù)和電導(dǎo)率可降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。而常壓氧氣氛中退火可以抑制低NZFO含量復(fù)相陶瓷的低頻介電色散，并降低其損耗，損耗低于0.1的頻率范圍可從1 MHz以上擴(kuò)展到100 KHz。此外，Ba/Ti小于1可通過(guò)抑制氧空位而抑制六方BTO的形成，從而有利于改善BTO和NZFO的共燒性質(zhì)。
　　第四，我們也研究了滲流轉(zhuǎn)變對(duì)復(fù)相陶瓷在整個(gè)組成范圍內(nèi)的致密化和電磁性能的影響。發(fā)現(xiàn)致密度、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都受滲流轉(zhuǎn)變的控制。其中后兩者隨NZFO含量

7、的變化符合Kirkpatrick有效介質(zhì)方程。通過(guò)對(duì)介電頻譜和溫譜及磁導(dǎo)率頻譜的深入分析，發(fā)現(xiàn)在滲流轉(zhuǎn)變以前，BTO的極化和非磁性主導(dǎo)了復(fù)相陶瓷的電磁響應(yīng);而在滲流轉(zhuǎn)變之后，NZFO的巨介電響應(yīng)和高的磁導(dǎo)率主導(dǎo)了電磁響應(yīng)。
　　第五，進(jìn)一步分析表明，NZFO中的巨介電響應(yīng)起源于其內(nèi)部不均勻的極化子變程跳躍電導(dǎo)，這種跳躍電導(dǎo)的溫度依賴關(guān)系可由Mott的1/4定律解釋。在此基礎(chǔ)上結(jié)合BTO中的介電響應(yīng)和有效截止方程，建立了與BTO/N

8、ZFO復(fù)相陶瓷的實(shí)驗(yàn)介電頻譜相吻合的理論色散方程，從而增進(jìn)了對(duì)鐵氧體及多鐵復(fù)相陶瓷的介電和電導(dǎo)機(jī)理的理解。
　　第六，本文又從180°疇結(jié)構(gòu)的鐵磁顆粒的磁導(dǎo)率的頻率色散機(jī)理出發(fā)，推導(dǎo)了其理論色散公式，闡明了在以往研究中未充分考慮的復(fù)合材料的內(nèi)部退磁場(chǎng)對(duì)鐵氧體磁導(dǎo)率的影響，即它會(huì)造成自旋轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磁導(dǎo)率的貢獻(xiàn)被“屏蔽”掉，使得當(dāng)鐵氧體含量減少到滲流閾值附近時(shí)，鐵氧體的磁導(dǎo)率會(huì)急劇下降。最后，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)的磁導(dǎo)率頻譜，本文闡明了BTO/N