（来源：期刊-《电子制作 》- 2020年7月）

高辉

（西安创联电气科技（集团）有限责任公司，陕西西安，710000）

摘要：为了改变纯钛酸钡陶瓷的介电性能，制备了不同摩尔比氧化钬掺杂钛酸钡基介电陶瓷，研究了其介电特性。实验表明：当频率保持不变时，改变氧化钬在BaTiO3陶瓷中的掺杂量不会影响介电峰的位置，只会影响了峰值大小。当掺杂摩尔比保持不变时，随着频率的增加向高温区移动，峰值出现由大到小再到大的现象。

关键词：氧化钬；钛酸钡陶瓷；掺杂；介电特性

DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2020.14.040

电子陶瓷材料主要是指具有电磁功能的一类陶瓷。它的主要特征是以电、磁、光、热河力学等性能及其的相互转换，在电子、通讯、自动控制等尖端领域都有广泛的应用，并且电子陶瓷在最近几年的研究里也取得了较为可观的成果。其中钛酸钡 (BaTiO3) 就是一种性能十分优异的电子陶瓷材料，被广泛地应用于多层陶瓷电容器、铁电存储器及压电传感器等方面。钛酸钡陶瓷是典型的铁电材料，是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一，被誉为“电子陶瓷工业的支柱”。

钛酸钡(BaTi03) 具有高的介电常数以及优良的铁电、压电和绝缘性能，且对环境无污染，在电子学、热学、声学、光学等学科领域得到广泛的应用，尤其是多层陶瓷电容器的首选介质材料。然而钛酸钡较高的温度系数以及随电压和频率的变化而具有不稳定性却是不利于人们应用的。纯的钛酸钡虽然具有较高的介电常数（室温下介电常数约为 l600），但介电常数在居里点 (Tc=120℃ ) 附近有较大突变（介  电常数高达 10 000），而且介电常数随环境温度的变化较大，介电损耗也比较大，因此改善钛酸钡基陶瓷的介电温度特性成为当前的研究热点之一。研究发现，向 BaTi03 瓷粉中添加“移峰剂”和“展峰剂”可以改善 BaTi03  陶瓷的微观形貌和介电性能。因此掺杂改性成为电子陶瓷材料研究中的重要课题。根据理论推测，如果将半径较小的离子取代 Ba2+ ，或者将不活泼的离子取代 Ti4+ ，都可以使材料的居里点前移并展宽，介电性能得到改善以满足电容器的应用要求。

在实际应用中，往往采用合适的掺杂剂来修改钛酸钡的结构以改善和提高其介电性能。比如：在不同温度范围钛酸钡的介电性能会变化很大，需掺杂其它物质来控制其微观结构，提高介电常数和改善介温的稳定性。在掺杂剂的选择上，稀土氧化物一般是钛 酸钡介质材料最为常用的添加剂，在本实验中就采用稀土氧化物氧化钬（Ho2O3）为添加剂，不同摩尔比的掺杂对 BaTiO3  陶瓷进行改性，以期提高其电介质介电常数、减小介电损耗。

■ 1.2 实验工艺流程

实验采用固相法制备了不同摩尔掺杂比的陶瓷样品，具体工艺路线如图 1 所示。

■ 1.3 实验具体步骤

1.3.1 制片

以 BaTiO3 （分析纯、干粉状 ）、Ho2O3（分析纯 ） 为原料，制备粉体。按照钛酸钡与氧化钬摩尔比值分别为 0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 配比选取称料如表 1，将两种物料置于研钵中，充分研磨 120min 以上，保证试样充分混合均匀；加入适量无机粘结剂搅拌至团状，然后平均分成 5 份，分好的每份放在压片机模具中，将粉体压成直径大约为 15mm、厚度为 1 ～ 2mm 圆片状坯体，压片时间控制在 ≧ 10min；圆片成型后标注并放置自然晾干。

用电子天平称量不同的摩尔比氧化锆掺杂 BaTiO3  陶瓷所对应的大致 m1  和 m2 ，并利用以上公式，算出实际称量氧化锆掺杂 BaTiO3  陶瓷的摩尔比，数据如表 1 所示。

表1   实际称量的氧化锆掺杂BaTiO3陶瓷的摩尔比

1.3.2 烧结

一次烧结：首先，把晾干制好的压片整齐的放在瓷板上进行编号，然后送入真空高温管式炉的中央部分，在真空高温管式炉中以 5 ℃ /min 的升温速率，分别于350℃ ,1300℃保温烧结，大约烧结 10h 后制得 Ho2O3  掺杂陶瓷。

二次烧结：第一次烧出的压片出炉后，将压片的两面在三氧化二铝板上打磨光滑整齐，用电子游标卡尺测量打磨后压片的厚度（h）和直径（d）记入表格，如表 2 所示。然后将制备好的银浆料均匀涂抹在瓷片的两底面，凉干后放入真空高温管式炉中二次烧结，烧结温度在 850℃。等二次烧结完成，就得到我们所需要的实验电极。

表2   样片的厚度与直径

1.3.3 检测并记录

将烧好的电极样品固定在电板的夹子上，放入 MINI 系列高低温（湿热）试验箱中进行测试其电容，温度先从室温降至 20℃,再由 20℃在 120min 内降至 -60℃,接着每 10℃升温最终到 150℃,途中每个温度保持 28min 进行保温测量，并记录相关数据。

2 实验结果与分析

分别在 1kHz、10kHz 和 100kHz 下，改变氧化锆掺杂钛酸钡陶瓷摩尔比，探究了其相对介电常数随温度变化的共同规律。结果如图 2 ～ 4 所示。

由图 2 可得，在 1kHz 下对 BaTiO3  陶瓷掺杂 Ho2O3  比较敏感，随着温度的变化较大， Ho2O3 掺杂量也不宜过多，在掺杂摩尔比为 1.5:100 左右最好，此时介电常数最大，约为 350000F/m，居里温度在 110℃左右。但是介电峰比较尖锐，不利于大范围的应用。

由图 3 可得，在 10kHz 下掺杂 Ho2O3 量不管是多少， BaTiO3 陶瓷峰形都被压抑，特别是 1.5% 和 2.0% 的配比情况下，其中最大不超过 100000 F/m，由此可见，在此频率下在 BaTiO3 陶瓷中掺杂Ho2O3   影响不是很大。

由图 4 可得，在 100kHz 下，钛酸钡陶瓷的峰型都有大致的变化，除了 1.0:100 的变化不明显，但介电的大小都比较稳定，相比 10kHz 情况下也普遍降低。

综上所述，在BaTiO3  陶瓷中掺杂不同含量的氧化钬对介电峰的位置不影响，没有向高温区移动，只影响了大小而已。随着频率的增大，陶瓷的介电常数越来越小。

3 结论

通过实验研究了氧化钬掺杂BaTiO3  陶瓷的介电性能， 主要得出了以下结论：

（1） 氧化钬掺杂 BaTiO3  陶瓷的介电峰与掺杂摩尔比无关，也就是居里温度不变，只是介电峰的高度发生了变化。

（2）掺杂量为 1% 时，峰值达到最高值，可见掺杂量为 1.0:100 时最为合适。

（3）摩尔比不同的情况下，介电峰的位置随频率的改变而发生变化。

参考文献

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