双层钛酸锶钡陶瓷的制备与研究

第３６卷第２期　２０１４年３月　湖北大学学报（自然科学版）　
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　
Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．２　

Ｍａｒ．，２０１４　

文章编号：１０００—２３７５（２０１４）０２—０１４３—０５　
双层钛酸锶钡陶瓷的制备与研究　

屈少华　，舒明飞　。，曹万强　
（１．湖北文理学院物理与电子工程学院，湖ｊＥ襄阳４４１０５３；２．湖北大学材料科学与工程学院，武汉４３００６２）　
摘要：采用固相法分别制备施主掺杂陶瓷、受主掺杂陶瓷及双层钛酸锶钡陶瓷．施主掺杂选择呈现明显半导化的　
０．１５　（摩尔比，下同）的Ｌａ２０。；受主掺杂选择铁电性的０．１５％的Ｆｅｚ０ｓ．ＸＲＤ测试表明多种复合粉体均为钙钛矿结构；　
ＳＥＭ结果显示：制备的双层钛酸锶钡陶瓷整体致密度较高，层间存在厚度接近３０　ｍ的过渡区域．介电温谱测试表明：　
掺Ｌａ３　与掺Ｆｅ。　的介电峰分别在温度１Ｏ℃和８Ｏ℃处，双层钛酸锶钡陶瓷的介电常数在１０￣８０℃温度区间明显平滑，　
介电常数和介电损耗均与电容串联模型的计算结果十分吻合．此双层复合方法提供制备高温度稳定性和功能复合陶瓷　
的有效实验手段．　
关键词：双层陶瓷；钛酸锶；介电性；铁电性　
中图分类号：ＴＭ２２＋３　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｍｌ０００—２３７５．２０１４．０２．０１０　

Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ　Ｂａｒｉｕｍ　Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ　Ｔｉｔａｎａｔｅ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　
ＱＵ　Ｓｈａｏｈｕａ　，ＳＨＵ　Ｍｉｎｇｆｅｉ　，ＣＡＯ　Ｗａｎｑｉａｎｇ。　
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｔｓ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉａｎｇｙａｎｇ　４４１０５３，Ｃｈｉｎａ；　
２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ　Ｂａｒｉｕｍ　Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ　Ｔｉｔａｎａｔｅ（ＢＳＴ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｄｏｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｄｏｎｏｒ　ａｎｄ　
ａｃｃｅｐｔｏｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｅｒｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ　ｒｅａｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｄｏｎｏｒ　ｄｏｐａｎｔ　ｏｆ　ＢＥＦ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　
ｗａｓ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｗｉｔｈ　０．１５　９／６（ｍｏｌ，ｓｉｍｉｌａｒｌｙ　ｈｅｒｅｉｎａｆｔｅｒ）Ｌａ２０３　ｆｏｒ　ａ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ．Ｔｈｅ　ａｃｃｅｐｔｏｒ　ｄｏｐａｎｔ　ｏｆ　Ｂ　
ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｗａｓ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｗｉｔｈ　０．１５　Ｆｅ２　０３　ｆｏｒ　ａ　ｎｏｒｍａｌ　ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ．ＸＲＤ　ｔｅｓｔｓ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ　
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｄｏｐｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ．　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ　ＢＳＴ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｈａｄ　ａ　
ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ，ｎｅａｒｌｙ　３０／ａｎ，ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｗｏ　ｌａｙｅｒｓ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔＷＯ　ｐａｒｔｓ　ｔｉｇｈｔｌｙ．Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｅａｋｓ　ｏｆ　Ｌａａ＋ａｎｄ　Ｆｅａ＋ｄｏｐｅｄ　ＢＳＴ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｗｅｒｅ　ａｔ　１０℃ａｎｄ　８Ｏ℃。　
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＩＮｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ　ＢＳＴ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｗａｓ　ｖｅｒｙ　ｆｌａｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　１０℃ａｎｄ　８Ｏ℃．Ｔｈｅ　
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ａｎｄ　ｌＯＳＳ　ｂｙ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｔｗｏ　ｐａｒｔｓ　ｉｎ　ｓｅｒｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎ　ｗｅｌｌ　ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｗｉｔｈ　
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｉｓ　ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　
ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ　ｃｅｒａｍｉｃ；Ｂａｒｉｕｍ　Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ　Ｔｉｔａｎａｔｅ；ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ　

０　引言　
钛酸锶钡（Ｂａ　一　ＳｒｘＴｉＯ。，ＢＳＴ）系列陶瓷材料不仅具有高介电常数和低介电损耗，而且具有宽范围　
的介电可调性，广泛应用于制备各种陶瓷电容器、探测器、ＰＴＣ热敏电阻和微波器件　＿４］．研究表明，改　
变ＢＳＴ陶瓷的Ｂａ／Ｓｒ比，能有效移动ＢＳＴ材料的居里温度　引．多层并联结构能够获得高温度稳定性的　

收稿日期：２０１３—０４—２６　
基金项目：湖北省自然科学基金（２０１２ＦＦＣ０５１０１）和功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室开放课题资助　
作者简介：屈少华（１９６１一），男，教授，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｈｕａ０８２８＠１６３．ｅｏｍ；舒明飞，通信作者，硕士生，Ｅ－ｍａｉｌ：５２３７４９４９８＠ｑｑ．ｃｏｍ　
１４４　湖北大学学报（自然科学版）　第３６卷　
电容器陶瓷［６］．因此，采用不同Ｂａ／Ｓｒ比及分别进行施主掺杂和受主掺杂制备双层ＢＳＴ陶瓷，能够较好　
地控制居里温度的移动范围．选用Ｌａ。＋和Ｆｅ计掺杂对ＢＳＴ陶瓷改性，可以分别获得施主掺杂和受主掺　
杂的效果：Ｌａ。＋在Ｂａ／Ｓｒ位施主替代ｌ＿７］，Ｆｅ抖在Ｔｉ位受主替代ｌ＿８　］．　
另外，在多层异质复合陶瓷中，由于各种异质材料的烧结特性不匹配，常常导致在烧结过程中出现　
样品分层、开裂和翘曲等问题．为了解决这些问题，人们对异质材料的共烧往往采用低温的零收缩技术　
或近零收缩技术＿１　．此方法虽然解决了烧结过程中出现的上述问题，但是导致材料性能下降．　
本文中在工艺上采用双层压片的方式制备了串联式ＢＳＴ铁电陶瓷，其中一侧的配方为施主掺杂　
０．１５　９／６的Ｌａ２Ｏ。，以获得半导化效果明显的ＢＳＴ陶瓷，另一侧的配方为受主掺杂０．１５　的Ｆｅ　Ｏ。，以获　
得正常的ＢＳＴ铁电陶瓷，以此研究双层陶瓷的介电性质及界面的影响效果．　

１　实验　
实验采用固相法制备受主掺杂０．１５　Ｆｅｚ０３的的Ｂａ。．　ｓＳｒｏ．　ＴｉＯ。陶瓷（样品Ａ）、施主掺杂０．１５　
ＬａｚＯ。的Ｂａ。．６ｓＳｒ　Ｔｉ（）３陶瓷（样品Ｂ）以及这两种复合陶瓷按厚度比为３：２的叠加的双层ＢＳＴ陶瓷　
（样品ＡＢ）．　
实验原料为：ＢａＣＯ。（纯度９９　９／６）、ＳｒＣＯ。（纯度９９　９／６）、ＴｉＯ２（纯度９９　）、Ｌａ２Ｏ。（纯度９９．９９　）、　
Ｆｅ２Ｏ３（纯度９９．９９　），固相反应过程为：（１－－：ｒ）ＳｒＣＯ３＋ｘＢａＣＯ３＋ＴｉＯ２－＋Ｂａ￣Ｓｒｌ　ＴｉＯ３＋ＣＯ２十．　
配好的原料球磨４　ｈ后洗涤烘干，在１　１５０　ｏＣ预烧２　ｈ分别得到Ａ和Ｂ两种粉体。在４　Ｍｐａ的压力　
下分别压成Ａ、Ｂ和ＡＢ　３种坯体，１　２８０℃煅烧４　ｈ．煅烧完成后，采用５Ｏ℃／ｈ的降温速率控制降温，降　
温至８００℃后自然冷却，高温区采用低降温速率可有效防止异质材料烧结弯曲、分层等问题．用ｘ线衍　
射仪（Ｄ／ＭＡＸ３Ｃ型）测试相结构；ＳＥＭ（ＪＳＭ６５１０ＬＶ型）观察ＡＢ样品的双层断面及Ａ面和Ｂ面；被银　
后用美国ＲＴ型铁电参数测试仪测试３种样品的铁电性能，用ＨＰ４１９２Ａ型低频阻抗分析仪在一５０～　
１５０℃测试３种样品的介电性能．　

２结果与分析　
图１为烧结的３种陶瓷样品的照片，样品表面平整，未出现任何分层、开裂、翘曲现象．掺Ｆｅ　Ｏ。显　
示为浅褐色（样品Ａ），掺ＬａｚＯ　显示为湛蓝色（样品Ｂ），Ａ、Ｂ两种复合陶瓷按厚度比为３：２的叠加的　
双层ＢＳＴ陶瓷（样品ＡＢ）的中间过渡区有条浅绿色的条纹，３种样品的径向收缩率均为１３．２　．　
０　

图１　３种陶瓷样品的照片　
２０／（。）　
图２预烧粉体样品的ＸＲＤ图　

２．１　ＸＲＤ分析图２为Ａ、Ｂ预烧粉体以及双层陶瓷ＡＢ两面的ＸＲＤ图，其中Ａ、Ｂ分别表示预烧粉　
体Ａ和预烧粉体Ｂ的Ｘ线衍射谱线，ＡＢ＿Ａ、ＡＢ－Ｂ分别表示陶瓷ＡＢ的Ａ面和Ｂ面的ｘ线衍射谱线．　
与ＢＳＴ的标准图谱比较，没有发现其它杂相，说明烧结前掺杂０．１５　氧化物的粉体以及烧结好的双层　
陶瓷的两面均为钙钛矿结构．　
２．２　ＳＥＭ分析图３为双层ＢＳＴ陶瓷ＡＢ结合的断面ＳＥＭ图像，其中图３（ａ）为断面低倍放大图像，　
明显观察到烧结过程中掺杂物相互渗透而在结合处形成的一条宽约３０　ｍ颜色稍浅的线条．图３（ｂ）为　
第２期　屈少华等：双层钛酸锶钡陶瓷的制备与研究　１４７　
３　结论　
研究结果表明：本文中仅采用提高预烧温度、控制成分叠层压力和控制烧结过程的方式控制收缩　
率，并且不使用任何有机粘合剂，制备出表面平整、内部致密的双层复合陶瓷样品；掺Ｆｅ。＋的Ａ样品呈　
现正常铁电性，掺Ｌａ。＋的Ｂ样品呈现半导化的铁电性，ＡＢ双层的铁电性以掺Ｆｅ。＋的正常铁电性为主；　
虽然两种不同成分的粉料在烧结过程中存在接触面处：相互渗透的现象，但在样品为１　ｍｍ厚度的情况　
下，介电性并未受到较大影响．介电性表现为两者的电容串联，介电温度稳定性达到了配方的设计要求：　
处于一２０￣８０　ｏＣ的温度区间，介电常数的温度稳定性优于样品Ａ与Ｂ的测试结果及利用模型计算的结　
果，介电损耗的变化趋势与利用模型计算的结果基本一致．对于存在２个不同居里峰的两种ＢＳＴ陶瓷，　
在制成双层陶瓷后２个居里峰之间的介电常数随温度变化极其缓慢，这为制备介电温度性能更加稳定　
的陶瓷提供了的思路，对开发环境友好型异质多层电容器陶瓷（ＭＬＣＣ）具有重要意义．　

４参考文献　
Ｅｌｉ　Ｇｅｎｅ　Ｈ　Ｈ．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃｓ：ｈｉｓｔｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，１９９９，８２（４）：７９７—　
８１１．　
ｒ２］Ｉｏａｃｈｉｍ　Ａ，Ａｌｅｘａｎｄｒｕ　Ｈ　Ｖ，Ｂｅｒｂｅｃａｒｕ　Ｃ，ｅｔ　ａ１．Ｄｏｐａｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ＢＳＴ　ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｏｌｉｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｆａｍｉｌｙ［Ｊ］．　

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃ，２００６，２６：１１５６—１１６１．　
７３］孙平，王茂祥，孙彤，等．（Ｂａ　一　ｓ　）ＴｉＯ。系铁电陶瓷的制备及其介电性能研究［Ｊ］．电子器件，２０００，２３（２）：８５—８９．　

［４］Ｉｏａｃｈｉｍ　Ａ，Ｔｏａｃｓａｎ　Ｍ　Ｉ，Ｂａｎｃｉｕ　Ｍ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂａｒｉｕｍ　ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ　ｔｉｔａｎａｔｅ　ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｆｏｒ　
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ　ｃｏｎｔｅｎｔ［Ｊ］．Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ，２００７，５１　５：６２８９—６２９０．　
ｒ５］Ｈｕ　Ｔ，Ｐｒｉｃｅ　Ｔ　Ｊ，Ｄａｖｉｄ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｍｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＢａＳｒＴｉ０３　ｗｉｔｈ　Ｂ２　Ｏａ—Ｌｉｚ　
ＣＯ３［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｓｏｃｉｅｔｙ．，２００５，２５：２５３１．　
［６３　Ｚｕｏ　Ｒ　Ｈ，Ｌｉ　Ｌ　Ｔ，Ｊｉ　Ｃ　Ｘ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗｉｔｈ　Ｘ７Ｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　
ｃｏｎｓｔａｎｔ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００１，４８：２６—３０．　
［７］刘兴述，钟朝位，张树人．稀土氧化物掺杂对ＢＳＴ陶瓷热释电性能的影响ＶＪ］．电子元件与材料，２０１０，２９（５）：１－４．　
［８］Ｌａｉｓｈｒａｍ　Ｒ，Ｔｈａｋｕｒ　Ｏ　Ｐ，Ｃｈａｎｄｒａ　Ｐ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｎｄ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａ，一Ｓｔ．Ｆｅｏ．０１Ｔｉｏ．９９　０３［Ｊ］．　
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００３，５７：１８２４．　
［９］Ｙｅ　Ｙ，Ｇｕｏ　Ｔ　Ｕ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｆｅ－ｄｏｐｅｄ　Ｂａｏ　６５　Ｓｒｏ．３５　ＴｉＯ３　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍｓ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｏｌ－ｇｅｌ　ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．　
Ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００９，３５：２７６１－２７６５．　
［１Ｏ］刘向春，邓军平．ＺｎＴｉＯ。陶瓷与ＮｉＺｎＣｕ铁氧体叠层复合材料的低温共烧口］．硅酸盐学报，２０１１，３９（８）：１２６８—１２６９．　
［１１］尚玉黎，舒明飞，曹万强，等．钛酸钡基施主掺杂弛豫铁电体介电弥散的唯象分析［Ｊ］．物理学报，２０１２，６１（１９）：　
１９７７０１—１９７７０５．　
［１２］Ｃａｉ　Ｈ，Ｇｕ　Ｚ　Ｌ，Ｌｉ　Ｌ　Ｔ．Ｌｏｗ－ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｕｌｔｉｌａ５　ｅｒ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ　ｗｉｔｈ　Ｘ７Ｒ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　

Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｂ，２００１，８３：１３７—１４１．　
（责任编辑郭定和）