犅犖犜犖犻犆狌犣狀复合陶瓷磁电性能研究 - 陕西师范大学学报

第 40 卷 第 4 期 陕 西 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Vol.40 No.42012 年 7 月 JournalofShaanxiNormalUniversity (NaturalScienceEdition) Jul.,2012文 章 编 号 :16724291(2012)04003004犅 犖 犜 犖 犻 犆 狌 犣 狀 复 合 陶 瓷 磁 电 性 能 研 究梁 海 荣 , 苏 丽 娜 , 刘鹏( 陕 西 师 范 大 学 物 理 学 与 信 息 技 术 学 院 , 陕 西 西 安 710062)摘 要 : 采 用 传 统 电 子 陶 瓷 工 艺 , 制 备 了 狓 Bi 0.5Na 0.5TiO 3+ (1- 狓 )Ni 0.2Cu 0.2Zn 0.62O(Fe 2O 3) 0.98(BNTNiCuZn)+3%Bi 2O 3(0≤ 狓 ≤60%) 复 合 陶 瓷 , 研 究 了 不 同 含 量 BNT 对 陶 瓷 微 观 结 构 、 介 电性 能 和 磁 性 能 的 影 响 .X 射 线 衍 射 结 果 表 明 : 所 有 样 品 只 有 两 相 (BNT 相 和 NiCuZn 相 ) 未 发 生 明显 的 化 学 反 应 . 随 BNT 含 量 的 增 加 , 介 电 常 数 增 大 , 磁 导 率 减 小 ,40% BNT+60%NiCuZn+3%Bi 2O 3表 现 出 优 良 的 整 体 性 能 (ε 狉 =86.85,tanδε|1 MHz= 0.023, μ 狉 =33.8,tanδ|1MHz= 0.18).预 示 这 一 材 料 可 被 广 泛 用 于 电 感 、 电 阻 电 容 .关 键 词 : 复 合 陶 瓷 ; 钛 酸 铋 钠 ; 镍 铜 锌 铁 氧 体 ; 介 电 性 能 ; 磁 性 能中 图 分 类 号 :O487 文 献 标 志 码 :A犇 犻 犲 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮 犪 狀 犱 犿 犪 犵 犲 狀 狋 犻 犮 狆 狉 狅 狆 犲 狉 狋 犻 犲 狊 狅 犳 犅 犖 犜 犖 犻 犆 狌 犣 狀 犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犲 犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮 狊LIANG Hairong,SU Lina,LIU Peng (ColegeofPhysicsandInformationTechnology,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710062,Shaanxi,China)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 : 狓 Bi 0.5Na 0.5TiO 3 + (1- 狓 )Ni 0.2Cu 0.2Zn 0.62 O(Fe 2 O 3)(BNTNiCuZn) 0.98 compoundceramicsareperparedbyusingatraditionalceramicprocessingwithadditionof3%Bi 2O 3 .Theefectsoftheconcentration ofBi 0.5 Na 0.5 TiO 3(BNT)onthe microstructures,dielectricandmagenticpropertiesofNiCuZnceramicareinvestigated.Xraydifraction (XRD)resultsshowedthatthesinteredceramicsaretwophasecompositesconsistedofBNTandNi 0.2Cu 0.2Zn 0.62O(Fe 2O 3) 0.98(NiCuZn)phases.NosignificantchemicalreactionsoccurredbetweenBNTand NiCuZnceramicsduringfiring.Therealpermitivityincreaseandthepermeabilitydecreases withtheBNTcontentincrease.The40% BNT+60% NiCuZncompositeexhibitsexcelentintegratedproperties(ε 狉 =86.85,tanδε|1MHz= 0.023, μ 狉 =33.8,tanδ μ (|1MHz=0.18),whichcanbeusednotonlyastheinductorsandresistorsbutasthecapacitors.犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 :compositematerial;BismuthSodiumtitanate;NiCuZnferrite;dielectricconstant;permeability铁 磁 材 料 (NiCuZn) 是 发 展 比 较 早 的 一 类 铁 氧体 材 料 , 已 广 泛 应 用 于 滤 波 器 、 传 感 器 、 计 算 机 及 移动 通 讯 的 辅 助 材 料 . 介 电 材 料 因 为 具 有 高 的 介 电 常数 和 电 阻 率 而 被 使 用 于 电 容 器 材 料 [1] . 随 着 电 子 器件 的 小 型 化 , 要 求 同 时 具 有 电 感 和 电 容 特 性 , 因 此 磁电 复 合 材 料 应 运 而 生 . 之 前 也 有 人 在 这 方 面 做 过 一些 研 究 , 主 要 是 将 BaTiO 3和 NiCuZn 进 行 复 合 [23] .由 于 铁 电 相 Bi 0.5Na 0.5TiO 3具 有 高 的 介 电 常 数 , 因 此收 稿 日 期 :20111218基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (20575039)第 一 作 者 : 梁 海 荣 , 女 , 硕 士 研 究 生 , 研 究 方 向 为 凝 聚 态 物 理 及 无 机 非 金 属 材 料 .Email:lhr741857851@163.com. 通 信 作 者 : 刘 鹏 , 男 , 教 授 , 博 士 研 究 生 导 师 .Email:liupeng68@hotmail.com.

第 4 期 梁 海 荣 等 :BNTNiCuZn 复 合 陶 瓷 磁 电 性 能 研 究 31本 实 验 用 铁 电 相 的 Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3和 铁 磁 性 的NiCuZn 进 行 复 合 , 制 备 了 狓 Bi 0.5Na 0.5TiO 3 + (1-狓 )Ni 0.2Cu 0.2Zn 0.62O(Fe 2O 3) 0.98+3%Bi 2O 3(0≤ 狓 ≤60%) 陶 瓷 , 进 而 研 究 不 同 含 量 的 BNT 对 整 体 性 能的 影 响 . 然 而 , 为 了 降 低 陶 瓷 的 烧 结 温 度 . 添 加 低 熔点 玻 璃 及 低 熔 点 氧 化 物 来 降 低 烧 结 温 度 就 成 为 目 前[4]使 用 最 广 泛 、 最 有 效 的 一 种 方 法 . 苏 丽 娜 等 通 过Bi 2O 3添 加 来 降 低 NiCuZn 陶 瓷 烧 结 温 度 . 本 文 作 者通 过 添 加 Bi 2O 3来 实 现 低 温 烧 结 , 旨 在 获 得 良 好 的介 电 、 磁 性 能 复 合 磁 介 材 料 .1 实 验NiO ( 纯 度 99%)、CuO( 纯 度 99.99%)、ZnO( 纯 度 99%) 和 Fe 2O 3( 纯 度 99.99%), 按 化 学 式Ni 0.2Cu 0.2Zn 0.62O(Fe 2O 3) 0.98进 行 配 料 , 放 入 尼 龙 球磨 罐 中 , 加 入 无 水 酒 精 湿 法 球 磨 6h, 出 料 、 烘 干 后在 800 ℃ 预 烧 保 温 2h 得 到 粉 体 NiCuZn.Bi 2O 3( 纯 度 99%)、Na 2CO 3( 纯 度 99.8%) 和TiO 2( 纯 度 98%) 按 化 学 式 Bi 0.5Na 0.5TiO 3进 行 配料 , 放 入 尼 龙 球 磨 罐 中 , 加 入 无 水 酒 精 湿 磨 12h, 出料 、 烘 干 后 在 880 ℃ 预 烧 保 温 2h 得 到 粉 体 BNT,按 质 量 分 数 分 别 为 10.0%、20.0%、40.0%、60.0%的 BNT 掺 杂 NiCuZn, 再 球 磨 14h, 出 料 , 烘 干 后 加入 适 量 的 聚 乙 烯 醇 (PVA) 压 成 为 直 径 为 11.5mm、厚 度 为 5mm 的 圆 片 样 品 , 将 样 品 在 900~1000 ℃烧 结 , 保 温 2h, 最 后 将 样 品 表 面 磨 平 , 抛 光 .2 结 果 与 讨 论2.1 显 微 结 构图 1 为 不 同 质 量 百 分 含 量 的 BNT 掺 杂NiCuZn 样 品 的 X 射 线 衍 射 谱 . 由 图 可 知 ,XRD 图谱 中 衍 射 峰 由 BNT 和 NiCuZn 两 相 组 成 , 未 见 杂相 , 然 后 随 着 BNT 添 加 量 的 增 多 ,BNT 峰 逐 渐 加强 .NiCuZn 的 峰 逐 渐 减 弱 且 主 峰 (311) 朝 着 高 角 度移 动 , 表 明 部 分 Ti 4+ ( 半 径 0.605×10 -8 cm) 进 入NiCuZn 中 取 代 了 Ni 2+ (0.69×10 -8 cm) 或 Cu 2+(0.73×10 -8 cm), 使 得 晶 胞 体 积 减 小 , 向 高 角 度 偏移 . 而 BNT 主 峰 (101) 超 低 角 度 偏 移 , 表 明 部 分Ni 2+ (0.69×10 -8 cm) 或 Cu 2+ (0.73×10 -8 cm) 进入 BNT 的 Ti 4+ (0.605×10 -8 cm), 使 得 晶 胞 体 积增 大 , 向 低 角 度 偏 移 . 而 e 、f 两 个 组 分 峰 位 没 有 移动 是 因 为 :Cu 2+ 在 钙 钛 矿 结 构 中 的 固 溶 极 限为 0.6% [5] .图 1 狓 % 犅 犖 犜 掺 杂 犖 犻 犆 狌 犣 狀 陶 瓷 的犡 射 线 图 谱 (960 ℃ 烧 结 )犉 犻 犵 .1 犡 狉 犪 狔 犱 犻 犳 狉 犪 犮 狋 犻 狅 狀 狊 狆 犲 犮 狋 狉 犪 狊 狅 犳 犖 犻 犆 狌 犣 狀 犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮 狊犱 狅 狆 犲 犱 狑 犻 狋 犺 狓 % 犅 犖 犜 ( 犛 犻 狀 狋 犲 狉 犲 犱 犪 狋 960 ℃)a. 狓 =100%;b. 狓 =0;c. 狓 =10%;d. 狓 =20%;e. 狓 =40%;f. 狓 =60%.图 2 为 960 ℃ 烧 结 的 样 品 狓 % BNT 掺 杂NiCuZn 的 样 品 表 面 显 微 结 构 图 . 纯 NiCuZn 的 晶 粒尺 寸 为 5μm, 随 着 BNT 掺 杂 量 的 增 多 , 晶 粒 尺 寸 减小 . 且 陶 瓷 样 品 中 明 显 存 在 两 种 不 同 紧 密 结 合 的 晶粒 , 说 明 BNT 作 为 第 二 相 抑 制 了 铁 氧 体 晶 粒 尺 寸的 增 长 . 对 e 样 品 用 能 谱 分 析 仪 (EDS)( 图 3) 分 别 对亮 色 区 域 和 暗 色 区 域 进 行 元 素 分 析 . 结 果 表 明 : 亮 色区 域 主 要 分 布 Bi、Na、Ti、O 元 素 , 还 有 少 量 的 Fe 元素 和 Cu, 而 暗 色 区 域 则 以 Fe、Ni、Cu、Zn、O 元 素 为主 , 还 分 布 有 少 量 的 Ti 元 素 . 由 此 可 见 , 它 们 之 间 发生 了 明 显 的 离 子 扩 散 .2.2 介 电 行 为图 4 为 BNT 掺 杂 NiCuZn 陶 瓷 的 介 电 常 数 和 介电 损 耗 随 频 率 的 变 化 关 系 . 由 图 可 见 , 随 着 BNT 含 量的 增 大 , 介 电 常 数 增 大 , 介 电 损 耗 减 小 . 这 是 因 为NiCuZn 的 介 电 常 数 约 为 15 [6] , 而 BNT 的 介 电 常 数 约为 900 [7] , 在 低 频 时 介 电 常 数 和 介 电 损 耗 都 突 然 变 小 ,在 一 个 宽 频 范 围 内 从 15 增 大 到 165, 是 普 通 尖 晶 石 的16 倍 .BNT 的 掺 杂 明 显 改 善 了 样 品 的 介 电 常 数 , 减 小了 铁 氧 体 的 介 电 损 耗 . 当 掺 杂 量 达 到 20% 时 , 介 电 损耗 已 经 降 到 0.025, 对 于 20% 到 60% 介 电 损 耗 减 小 到0.018. 这 是 因 为 Ti 4+ 被 NiCuZn 中 的 Ni 2+ 或 Cu 2+ 取代 , 从 而 使 得 介 电 损 耗 降 低 .2.3 磁 性 能图 5 为 BNT 掺 杂 NiCuZn 陶 瓷 是 磁 导 率 和 磁

32 陕 西 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 40 卷图 2 不 同 烧 结 温 度 下 犅 犖 犜 掺 杂 犖 犻 犆 狌 犣 狀 陶 瓷 的 扫 描 电 镜 图 片犉 犻 犵 .2 犛 犮 犪 狀 犻 狀 犵 犲 犾 犮 狋 狉 狅 狀 犿 犻 犮 狉 狅 狊 犮 狅 狆 狔 ( 犛 犈 犕 ) 狅 犳 犖 犻 犆 狌 犣 狀 犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮 狊 犱 狅 狆 犲 犱 狑 犻 狋 犺 犅 犖 犜 犪 狀 犱 狊 犻 狀 狋 犲 狉 犲 犱 犪 狋 狏 犪 狉 犻 狅 狌 狊 狋 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲a. 狓 =0;b. 狓 =10%;c. 狓 =20%;d. 狓 =40%;e. 狓 =60%.图 3 60% 犅 犖 犜 ~40% 犖 犻 犆 狌 犣 狀 样 品 的 犈 犇 犡 能 谱 分 析犉 犻 犵 .3 犈 犇 犡 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊 狅 犳 60% 犅 犖 犜 ~40% 犖 犻 犆 狌 犣 狀 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀a. 狓 =5%;b. 狓 =20%.图 4复 合 陶 瓷 的 介 电 常 数 ( 犃 ) 和 介 电 损 耗 ( 犅 ) 随 频 率 的 变 化 曲 线犉 犻 犵 .4 犉 狉 犲 狇 狌 犲 狀 犮 狔 犱 犲 狆 犲 狀 犱 犲 狀 犮 犲 狅 犳 狋 犺 犲 犱 犻 犲 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮 犮 狅 狀 狊 狋 犪 狀 狋 ( 犃 ) 犪 狀 犱 狋 犺 犲 犱 犻 犲 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮 犾 狅 狊 ( 犅 ) 狅 犳 犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮 狊a. 狓 =0;b. 狓 =10%;c. 狓 =20%;d. 狓 =40%;e. 狓 =60%.损 耗 随 频 率 的 变 化 关 系 . 随 着 BNT 含 量 的 增 大 , 在 图 6 为 各 组 分 陶 瓷 的 磁 滞 回 线 , 所 有 的 样 品 都1 MHz 时 , 磁 导 率 从 390 减 小 到 25, 磁 损 耗 从 表 现 出 典 型 的 磁 滞 回 线 , 表 明 都 已 被 顺 磁 化 . 而 随 着0.48366 减 小 到 0.17001. 通 常 , 多 晶 铁 氧 体 的 磁 导率 跟 自 旋 磁 化 强 度 和 畴 壁 移 动 有 关 , 而 畴 壁 运 动 与烧 结 密 度 和 晶 粒 尺 寸 有 关 [8] .BNT 的 含 量 的 增 加 , 稀 释 效 应 在 复 合 陶 瓷 的 磁 性 能中 起 到 了 主 导 作 用 , 从 而 导 致 饱 和 磁 化 强 度 犕 s线 性减 小 [9] .

第 4 期 梁 海 荣 等 :BNTNiCuZn 复 合 陶 瓷 磁 电 性 能 研 究 33图 5复 合 陶 瓷 的 磁 导 率 ( 犃 ) 和 磁 损 耗 ( 犅 ) 随 频 率 的 变 化 曲 线犉 犻 犵 .5 犉 狉 犲 狇 狌 犲 狀 犮 狔 犱 犲 狆 犲 狀 犱 犲 狀 犮 犲 狅 犳 狋 犺 犲 狉 犲 犪 犾 狆 犲 狉 犿 犲 犪 犫 犻 犾 狋 狔 ( 犃 ) 犪 狀 犱 狋 犺 犲 犿 犪 犵 狀 犲 狋 犻 犮 犾 狅 狊 ( 犅 ) 狅 犳 犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮 狊a. 狓 =0;b. 狓 =10%;c. 狓 =20%;d. 狓 =40%;e. 狓 =60%.and magnetic properties of lowtemperature firedNiCuZnBaTiO3 composites[J].Journalof Magnetismand MagneticMaterials,2009,321:27632768.[3]Sadhana K,Praveena K,BharadwajS,etal.MicrowaveHydrothermal synthesis of BaTiO3 + NiCuZnFe2O4nanocomposites[J]Journalof Aloysand Compounds,2009,472(20):484488.[4]SuLina,LiuPeng,HeYing,etal.Electricalandmagneticpropertiesoflowtemperaturesintered 狓 Ba0.6Sr0.4TiO3+(1- 狓 )Ni0.2Cu0.2Zn0.62O(Fe2O3) 0.9 [J],JournalofAloysandCompounds,2010,494:330335.图 6复 合 陶 瓷 的 磁 滞 回 线[5]LeeYC,HuangYL.EfectsofCuODopingontheMi犉 犻 犵 .6 犕 犪 犵 狀 犲 狋 犻 犮 犺 狔 狊 狋 犲 狉 犲 狊 犻 犾 狅 狆 狊 狅 犳 犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犲 犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮 狊a. 狓 =0;b. 狓 =10%;c. 狓 =20%;d. 狓 =40%;e. 狓 =60%.3 结 论采 用 传 统 工 艺 固 相 法 , 合 成 了 BNTNiCuZn 复合 陶 瓷 , 研 究 了 不 同 含 量 BNT 对 NiCuZn 陶 瓷 相 结构 、 显 微 结 构 、 介 电 性 能 和 磁 性 能 的 影 响 . 实 验 结 果表 明 ,40% 的 BNT 掺 杂 60%NiCuZn 表 现 出 了 良 好的 整 体 性 能 :ε 狉 =86.85,tanδε =0.0238, μ =33.08,tanδ μ|1MHz=0.180, 这 种 陶 瓷 材 料 不 仅 可 以应 用 于 电 阻 器 件 和 电 感 , 在 电 容 方 面 也 有 广 泛 用 途 .参 考 文 献 :[1]HilN A.Whyaretheresofew magneticferroelectrics[J].JournalofPhysicsandChemistryofSolids,2000,104(29):66946709.[2]Su Hua,Zhang Huaiwu,TangXiaoli,etal.DielectriccrostructuralandDielectricPropertiesofBa0.6Sr0.4TiO3Ceramics[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,2009,92(11):26612667.[6]SuHua,ZhangHui.StudyonlowtemperaturesinteredNiCuZnand MgCuZnspinelferrites[J].JournalofAlloysandCompounds,2008,475:683685.[7]QuYangfeng,DongShan,SongJing,etal.EfectofAsitesubstitutiononcrystalcomponentanddielectricpropertiesinBi0.5Na0.5TiO3ceramics[J].MaterialsScienceandEngineering:B,2005,38:148151.[8]Nakamura T,Lowtemperaturesinteringof NiZnCuferriteanditspermeabilityspectra[J].JournalofMagnetismand MagneticMaterials,1997,168:285291.[9]YeBai,FengXu,LeiQiao,etal.Thestaticandhyperfrequencymagneticpropertiesofaferromagneticferroelectriccomposite[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials,2009,321:148151.〔 责 任 编 辑 强 志 军 〕