锆钛酸锶的烧结及其介电性能表征
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目前制备锆钛酸锶粉体的方法主要有： 高温固 相法［3 － 4］、溶胶 －凝 胶 法［5］、水 热 法［6］ 和 共 沉 淀 法。 其中高温固相法制备的粉体颗粒较大，分布不均匀， 能耗大； 溶胶－凝胶法的成本高，且采用的金属醇盐 一般不易制得、价格昂贵、保存困难； 水热法需要高 温高压，对设备要求较高，化学共沉淀法简单易行， 成本低，且制备的粉体颗粒细小，分布均匀。
Key words： strontium titanate zirconate； sinter； dielectric constant
锆钛酸锶是一种新兴的电子陶瓷材料，介电常 数高、介电损耗低、热稳定性好，可用来制造高压大 容量陶瓷 电 容 器、晶 界 层 电 容 器 以 及 多 功 能 传 感 器［1 － 2］，在电子和通信领域等具有广阔的应用前景。 近年来随着电子元器件逐渐向微型化、轻捷、高稳定 性方向发展，对陶瓷粉体的纯度和颗粒大小提出了 更高的要求。
（ 2） 对 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 和 SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 粉体压片
后烧结得到陶瓷坯体，确定烧结制度为： 650℃ 排胶， 1 400℃ 保温 4 h，升温速率 3℃ / min。
（ 3） 对 陶 瓷 坯 体 表 征 介 电 常 数，在 1 kHz 下 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 陶瓷坯体的相对介电常数为 135. 6，介 电损耗 tanδ 为 24. 4 × 10 － 3 ； SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 坯体的相 对介 电 常 数 为 122. 3，介 电 损 耗 tanδ 为 137. 38 × 10 － 3 。
摘要： 以四 氯 化 钛、氧 氯 化 锆、硝 酸 锶 和 氢 氧 化 钠 为 原 料，采 用 共 沉 淀 法 在 25℃ 反 应 90℃ 陈 化 2 h 制 备 了 锆 钛 酸 锶
（ SrTix Zr1 － x O3 ） 粉体，用 X 射线衍射（ XRD） 表征了锆钛酸锶粉体的物相。用透射电子显微镜表征了锆钛酸锶粉体的粒径。并 采用干压成型法压制素坯进行烧结； 确定了烧结制度为： 升温速率 3℃ / min，1 400℃ 保温 4 h。对烧结后的陶瓷坯体进行介电性 能表征，在 1 kHz 下 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 陶瓷坯体的相对介电常数为 135. 6，介电损耗 tanδ 为 24. 4 × 10 － 3 ； SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 陶瓷坯体的 相对介电常数为 122. 3，介电损耗 tanδ 为 137. 38 × 10 － 3 。
参考文献
［1］ Rajesh V S，Daniel S K，Stephen J L． Solid state synthesis，processing，and electrical properties of Sr（ Tix Zr1 － x ） O3 （ 0≤x≤1） ceramics for high voltage applications［J］． Journal of Ceramic Processing Research，2003，4（ 4） ： 191 － 196．
（ a） 1 350℃
（ b） 1 400℃
图 5 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 的 SEM 图
2. 2. 3 介电性能的表征 图 6 是在不同烧结温度下得到的 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3
陶瓷坯体的介电性能，测试频率为 1 kHz。从图 6 中 可以看出随着温度的升高，陶瓷坯体的介电性能先 增加后减小，在 1 400℃ 有最大值，这是因为在其他 温度下的陶瓷坯体气孔率高，而空气的相对介电常 数比陶瓷坯体的相对介电常数要低，因此在测试时 得到的相对介电常数实际上是空气和陶瓷坯体共同
1 500℃ ） 烧结得到的 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 陶瓷坯体的体积 密度。
图 4 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 在不同温度下烧结的密度 从图 4 中可以看出当随着烧结温度的升高，陶
瓷坯体在 1 400℃ 的体积密度有最大值 5. 16 g / cm3 。 2. 2. 2 坯体断面形貌
1—1 400℃ 保温 4 h； 2—1 400℃ 保温 2 h； 3—1 400℃ 保温 1 h
图 7 SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 在不同保温时间下的 介电性能
3 结论
（ 1） 通过化学共沉淀法制备了锆钛酸锶粉体， wk.baidu.comRD 显示结 构 为 钙 钛 矿 结 构。其 中 SrTi0. 9 Zr0. 1 O3 的平均粒径为 80 nm，而 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 的平均粒径 为 350 nm。
笔者以硝酸锶、四氯化钛、氧氯化锆和氢氧化钠 为原料通过化学共沉淀法制备了锆钛酸锶粉体，并 采用干压成型法将粉体压制成素坯后进行烧结，对 烧结后的陶瓷坯体进行介电性能表征。
1 实验部分
1. 1 试样制备 按化学计量比将硝酸锶溶液、四氯化钛溶液、氧
氯化锆溶液混合得到金属离子混合液，与氢氧化钠 溶液边搅拌边滴加到三口烧瓶中，搅拌 30 min 后置 入 90℃ 恒温水浴槽中陈化 2 h 后，取出冷却至室温， 过滤洗涤后 100℃ 干燥得到锆钛酸锶粉体。
·193·
作用的结果。而在 1 400℃ 烧结得到的陶瓷坯体则 体积密度大，气孔率低，因此表现出来的介电性能也 比其他的坯体要好。
图 7 是 SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 在 1 400℃ 保温不同时间 测得的介电性能。从图 7 中可以看到随着保温时间 的延长，材料的相对介电常数提高，这是因为在烧结 过程中，延长保温时间能够进一步促进材料的致密 化，减少材料中的气孔，但在频率升高时，相对介电 常数降幅较大。
Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）
Abstract： Strontium titanate zirconate（ SrTix Zr1 － x O3 ） powders are synthesized by chemical coprecipitation method using strontium nitrate，zirconium oxychloride，titanium tetrachloride and sodium hydroxide as raw reactants． The crystal phase is characterized by X-ray powder diffraction （ XRD ） ，the particle size is measured by transmission electric microscope（ TEM） ． Powders are pressed into green tablets by dry pressing process． The sinter programme is ascertained as follow： sintering at 1 400℃ for 2 hours with heating rate of 3℃ / min． Dielectric properties are analyzed by impedance analyzer． Under the frequency of 1 kHz，the dielectric constant of SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 is 135. 6 and dielectric loss is 24. 4 × 10 － 3 ，while dielectric constant of SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 is 122. 3 and dielectric loss is 137. 38 × 10 － 3 ．
采用日本岛津 XRD －6000 型 X 射线衍射仪对 锆钛酸锶粉体的物相进行分析； 采用 HITACHI H － 800 透射电子显微镜对粉体形貌进行分析； 采用阿 基米德法测试粉体的体积密度； 采用 Hitachi S －4700 扫描电 子 显 微 镜 观 察 锆 钛 酸 锶 陶 瓷 坯 体 的 断 面
图 5 是 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 烧结后材料的断面 SEM 图。从图 5 中可以看到在 1 350℃ 烧结后的陶瓷坯 体颗粒接触不紧密，气孔较多，晶粒未生长，处于烧 结过程的初期； 而在 1 400℃ 烧结得到的坯体颗粒接 触紧密，基本没有气孔，晶体生长良好。
图 1 SrTix Zr1 － x O3 （ x = 0. 5 ～ 1. 0） 的 XRD 图 2. 1. 2 粉体粒径分析
图 3 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 的 TEM 图
2. 2 陶瓷坯体的表征 2. 2. 1 坯体密度测定
图 4 是在不同温度下（ 1 350、1 400、1 450℃ 和
图 6 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 在不同烧结温度下的 介电性能
2011 年 6 月
刘晓林等：锆钛酸锶的烧结及其介电性能表征
向烘干后的锆钛酸锶粉体加入质量分数为 5% 的聚乙烯醇（ PVA） 溶液造粒，在 4 MPa 压力下压制 成直径为 8 mm，厚度为 2 mm 左右的圆坯，然后在 高温炉中 650℃ 排胶 1 h，在 1 350 ～ 1 500℃ 常压烧 结，保温 4 h 得到锆钛酸锶陶瓷坯体。 1. 2 性能测试
图 2 是 SrTi0. 9 Zr0. 1 O3 粉体的 TEM 图，从图 2 中 可以看出粉体的分散性好，颗粒大小比较均匀，平均 粒径为 80 nm。图 3 是 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 粉 体 的 TEM 图，粉体的平均粒径为 350 nm。
图 2 SrTi0. 9 Zr0. 1 O3 的 TEM 图
第 31 卷增刊（1） 2011 年 6 月
现代化工 Modern Chemical Industry
June 2011 ·191·
锆钛酸锶的烧结及其介电性能表征
刘晓林1 ，周 伟1 ，陈建峰2 （ 1． 北京化工大学纳米材料先进制备技术与应用科学教育部重点实验室，北京 100029；
2． 北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京 100029）
LIU Xiao-lin1 ，ZHOU Wei1 ，CHEN Jian-feng2
（ 1． Key Lab． for Nanomaterials，Ministry of Education，Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029，China； 2． Research Center of the Ministry of Education for High Gravity Engineering and
关键词： 锆钛酸锶； 烧结； 介电常数
中图分类号：TQ174
文献标识码：A
文章编号：0253 － 4320（ 2011） S1 － 0191 － 03
Study on sintering and dielectric properties of strontium titanate zirconate
收稿日期：2011 － 05 － 10 作者简介：刘晓林（ 1963 － ） ，女，博士，教授，博士生导师，研究方向为化学工程、无机非金属材料、纳米材料，liuxl@ mail． buct． edu． cn。
·192·
现代化工
第 31 卷增刊（1）
形貌； 采用 HP －4294A 阻抗分析仪测试陶瓷坯体的 介电性能。
2 结果与讨论
2. 1 粉体的表征 2. 1. 1 物相分析
图 1 是锆钛酸锶 SrTix Zr1 － x O3 （ x = 0. 5 ～ 1 ） 的 XRD，与钛酸锶的标准谱图进行对比后发现所制得 粉体为钙钛矿结构，且随着 x 值的减小，粉体的特征 峰逐渐向小角度方向偏移。这是因为 x 值减小表示 锆原子更多的取代钛原子，而由于锆原子的半径大 于钛原子半径，导致晶格常数变大，使特征峰整体向 左偏移。
Key words： strontium titanate zirconate； sinter； dielectric constant
锆钛酸锶是一种新兴的电子陶瓷材料，介电常 数高、介电损耗低、热稳定性好，可用来制造高压大 容量陶瓷 电 容 器、晶 界 层 电 容 器 以 及 多 功 能 传 感 器［1 － 2］，在电子和通信领域等具有广阔的应用前景。 近年来随着电子元器件逐渐向微型化、轻捷、高稳定 性方向发展，对陶瓷粉体的纯度和颗粒大小提出了 更高的要求。
（ 2） 对 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 和 SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 粉体压片
后烧结得到陶瓷坯体，确定烧结制度为： 650℃ 排胶， 1 400℃ 保温 4 h，升温速率 3℃ / min。
（ 3） 对 陶 瓷 坯 体 表 征 介 电 常 数，在 1 kHz 下 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 陶瓷坯体的相对介电常数为 135. 6，介 电损耗 tanδ 为 24. 4 × 10 － 3 ； SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 坯体的相 对介 电 常 数 为 122. 3，介 电 损 耗 tanδ 为 137. 38 × 10 － 3 。
摘要： 以四 氯 化 钛、氧 氯 化 锆、硝 酸 锶 和 氢 氧 化 钠 为 原 料，采 用 共 沉 淀 法 在 25℃ 反 应 90℃ 陈 化 2 h 制 备 了 锆 钛 酸 锶
（ SrTix Zr1 － x O3 ） 粉体，用 X 射线衍射（ XRD） 表征了锆钛酸锶粉体的物相。用透射电子显微镜表征了锆钛酸锶粉体的粒径。并 采用干压成型法压制素坯进行烧结； 确定了烧结制度为： 升温速率 3℃ / min，1 400℃ 保温 4 h。对烧结后的陶瓷坯体进行介电性 能表征，在 1 kHz 下 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 陶瓷坯体的相对介电常数为 135. 6，介电损耗 tanδ 为 24. 4 × 10 － 3 ； SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 陶瓷坯体的 相对介电常数为 122. 3，介电损耗 tanδ 为 137. 38 × 10 － 3 。
参考文献
［1］ Rajesh V S，Daniel S K，Stephen J L． Solid state synthesis，processing，and electrical properties of Sr（ Tix Zr1 － x ） O3 （ 0≤x≤1） ceramics for high voltage applications［J］． Journal of Ceramic Processing Research，2003，4（ 4） ： 191 － 196．
（ a） 1 350℃
（ b） 1 400℃
图 5 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 的 SEM 图
2. 2. 3 介电性能的表征 图 6 是在不同烧结温度下得到的 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3
陶瓷坯体的介电性能，测试频率为 1 kHz。从图 6 中 可以看出随着温度的升高，陶瓷坯体的介电性能先 增加后减小，在 1 400℃ 有最大值，这是因为在其他 温度下的陶瓷坯体气孔率高，而空气的相对介电常 数比陶瓷坯体的相对介电常数要低，因此在测试时 得到的相对介电常数实际上是空气和陶瓷坯体共同
1 500℃ ） 烧结得到的 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 陶瓷坯体的体积 密度。
图 4 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 在不同温度下烧结的密度 从图 4 中可以看出当随着烧结温度的升高，陶
瓷坯体在 1 400℃ 的体积密度有最大值 5. 16 g / cm3 。 2. 2. 2 坯体断面形貌
1—1 400℃ 保温 4 h； 2—1 400℃ 保温 2 h； 3—1 400℃ 保温 1 h
图 7 SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 在不同保温时间下的 介电性能
3 结论
（ 1） 通过化学共沉淀法制备了锆钛酸锶粉体， wk.baidu.comRD 显示结 构 为 钙 钛 矿 结 构。其 中 SrTi0. 9 Zr0. 1 O3 的平均粒径为 80 nm，而 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 的平均粒径 为 350 nm。
笔者以硝酸锶、四氯化钛、氧氯化锆和氢氧化钠 为原料通过化学共沉淀法制备了锆钛酸锶粉体，并 采用干压成型法将粉体压制成素坯后进行烧结，对 烧结后的陶瓷坯体进行介电性能表征。
1 实验部分
1. 1 试样制备 按化学计量比将硝酸锶溶液、四氯化钛溶液、氧
氯化锆溶液混合得到金属离子混合液，与氢氧化钠 溶液边搅拌边滴加到三口烧瓶中，搅拌 30 min 后置 入 90℃ 恒温水浴槽中陈化 2 h 后，取出冷却至室温， 过滤洗涤后 100℃ 干燥得到锆钛酸锶粉体。
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作用的结果。而在 1 400℃ 烧结得到的陶瓷坯体则 体积密度大，气孔率低，因此表现出来的介电性能也 比其他的坯体要好。
图 7 是 SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 在 1 400℃ 保温不同时间 测得的介电性能。从图 7 中可以看到随着保温时间 的延长，材料的相对介电常数提高，这是因为在烧结 过程中，延长保温时间能够进一步促进材料的致密 化，减少材料中的气孔，但在频率升高时，相对介电 常数降幅较大。
Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）
Abstract： Strontium titanate zirconate（ SrTix Zr1 － x O3 ） powders are synthesized by chemical coprecipitation method using strontium nitrate，zirconium oxychloride，titanium tetrachloride and sodium hydroxide as raw reactants． The crystal phase is characterized by X-ray powder diffraction （ XRD ） ，the particle size is measured by transmission electric microscope（ TEM） ． Powders are pressed into green tablets by dry pressing process． The sinter programme is ascertained as follow： sintering at 1 400℃ for 2 hours with heating rate of 3℃ / min． Dielectric properties are analyzed by impedance analyzer． Under the frequency of 1 kHz，the dielectric constant of SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 is 135. 6 and dielectric loss is 24. 4 × 10 － 3 ，while dielectric constant of SrTi0. 5 Zr0. 5 O3 is 122. 3 and dielectric loss is 137. 38 × 10 － 3 ．
采用日本岛津 XRD －6000 型 X 射线衍射仪对 锆钛酸锶粉体的物相进行分析； 采用 HITACHI H － 800 透射电子显微镜对粉体形貌进行分析； 采用阿 基米德法测试粉体的体积密度； 采用 Hitachi S －4700 扫描电 子 显 微 镜 观 察 锆 钛 酸 锶 陶 瓷 坯 体 的 断 面
图 5 是 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 烧结后材料的断面 SEM 图。从图 5 中可以看到在 1 350℃ 烧结后的陶瓷坯 体颗粒接触不紧密，气孔较多，晶粒未生长，处于烧 结过程的初期； 而在 1 400℃ 烧结得到的坯体颗粒接 触紧密，基本没有气孔，晶体生长良好。
图 1 SrTix Zr1 － x O3 （ x = 0. 5 ～ 1. 0） 的 XRD 图 2. 1. 2 粉体粒径分析
图 3 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 的 TEM 图
2. 2 陶瓷坯体的表征 2. 2. 1 坯体密度测定
图 4 是在不同温度下（ 1 350、1 400、1 450℃ 和
图 6 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 在不同烧结温度下的 介电性能
2011 年 6 月
刘晓林等：锆钛酸锶的烧结及其介电性能表征
向烘干后的锆钛酸锶粉体加入质量分数为 5% 的聚乙烯醇（ PVA） 溶液造粒，在 4 MPa 压力下压制 成直径为 8 mm，厚度为 2 mm 左右的圆坯，然后在 高温炉中 650℃ 排胶 1 h，在 1 350 ～ 1 500℃ 常压烧 结，保温 4 h 得到锆钛酸锶陶瓷坯体。 1. 2 性能测试
图 2 是 SrTi0. 9 Zr0. 1 O3 粉体的 TEM 图，从图 2 中 可以看出粉体的分散性好，颗粒大小比较均匀，平均 粒径为 80 nm。图 3 是 SrTi0. 7 Zr0. 3 O3 粉 体 的 TEM 图，粉体的平均粒径为 350 nm。
图 2 SrTi0. 9 Zr0. 1 O3 的 TEM 图
第 31 卷增刊（1） 2011 年 6 月
现代化工 Modern Chemical Industry
June 2011 ·191·
锆钛酸锶的烧结及其介电性能表征
刘晓林1 ，周 伟1 ，陈建峰2 （ 1． 北京化工大学纳米材料先进制备技术与应用科学教育部重点实验室，北京 100029；
2． 北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京 100029）
LIU Xiao-lin1 ，ZHOU Wei1 ，CHEN Jian-feng2
（ 1． Key Lab． for Nanomaterials，Ministry of Education，Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029，China； 2． Research Center of the Ministry of Education for High Gravity Engineering and
关键词： 锆钛酸锶； 烧结； 介电常数
中图分类号：TQ174
文献标识码：A
文章编号：0253 － 4320（ 2011） S1 － 0191 － 03
Study on sintering and dielectric properties of strontium titanate zirconate
收稿日期：2011 － 05 － 10 作者简介：刘晓林（ 1963 － ） ，女，博士，教授，博士生导师，研究方向为化学工程、无机非金属材料、纳米材料，liuxl@ mail． buct． edu． cn。
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现代化工
第 31 卷增刊（1）
形貌； 采用 HP －4294A 阻抗分析仪测试陶瓷坯体的 介电性能。
2 结果与讨论
2. 1 粉体的表征 2. 1. 1 物相分析
图 1 是锆钛酸锶 SrTix Zr1 － x O3 （ x = 0. 5 ～ 1 ） 的 XRD，与钛酸锶的标准谱图进行对比后发现所制得 粉体为钙钛矿结构，且随着 x 值的减小，粉体的特征 峰逐渐向小角度方向偏移。这是因为 x 值减小表示 锆原子更多的取代钛原子，而由于锆原子的半径大 于钛原子半径，导致晶格常数变大，使特征峰整体向 左偏移。