溶胶凝胶法制备微波介质陶瓷综合实验设计

近年来，随着移动互联网的发展，移动通信逐渐由4G时代进入到5G时代，5G技术也成为关系着国防和经济发展的关键技术。5G使用的毫米波属于一种高频电磁波，高频化对微波元器件材料的性能提出了更高的要求[1-2]。微波介质陶瓷具有介电常数适中、介电损耗低、温度稳定性好等优势，是制作谐振器、微波电容器、滤波器、介质天线等微波元器件的关键材料。因此，制备高性能微波介质陶瓷对于 5G技术的发展以及整个微波通信产业都有着重大意义。

Ba(Zn1/3Nb2/3)O3是一种复合钙钛矿结构微波介质陶瓷，其相对介电常数 εr约为 40，温度系数约为30 ppm/℃[3-4]。在理想的 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷中，如果Zn2+和Nb5+离子无序排列，Ba(Zn1/3Nb2/3)O3为立方结构，但由于占据B位的Zn2+和Nb5+离子的离子半径和价态差异较大，它们会沿着<111>方向按1∶2长程有序排列，形成六方结构。正因为这种长程有序结构[5]，Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷具有非常高的品质因数Q×f。根据微波介电损耗原理估计，在保证高致密度、单一成相、结构均匀以及晶格应变小等条件下，Ba(Zn1/3Nb2/3)O3微波介质陶瓷的品质因数可以达到近80 000 GHz。

但是，Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷烧结过程中烧结温度很高，一般超过1 400 ℃，而其有序-无序相转变温度为 1 375 ℃，因而在高温烧结的过程中Ba(Zn1/3Nb2/3)O3会转变为无序结构，导致其品质因数Q×f值降低[6]。另外，高温烧结过程中Zn元素容易挥发，在降低有序度的同时还会引入第二相，这些都会进一步降低 Q×f值，不利于获得高性能的Ba(Zn1/3Nb2/3)O3微波介质陶瓷。可见，降低烧结温度有助于提高Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷的介电性能。

溶胶-凝胶法能够制备出纳米粉体，利用纳米颗粒较高的表面活性来降低陶瓷的烧结温度，已应用在多种介电陶瓷材料的合成中[7-10]。因此，本文拟采用溶胶-凝胶法制备 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3纳米粉体，期望降低陶瓷的烧结温度，并研究纳米粉体的烧结特性与组织结构，从而获得高性能的Ba(Zn1/3Nb2/3)O3微波介质陶瓷。

1 实验试剂与仪器

主要试剂：六水合硝酸锌（Zn(NO3)2?6H2O，分析纯）、硝酸钡（Ba(NO3)2，分析纯）、氢氧化铌（Nb(OH)5，99.9%）、草酸（(COOH)2?2H2O，99.5%），氨水溶液（25.0%~28.0%）、柠檬酸（分析纯）、无水乙醇、聚乙烯醇水溶液（PVA，质量分数为5%）等。

主要仪器：电子天平、磁力搅拌器、pH计、电热鼓风干燥箱、压片机、箱式烧结炉、热分析仪、红外光谱仪、X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、网络分析仪、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等。

2 实验方法与内容

2.1 溶胶-凝胶法制备Ba(Zn1/3Nb2/3)O3纳米粉体

实验中利用溶胶-凝胶法制备 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3纳米粉体，实验流程如图1所示。首先将Nb(OH)5加入草酸溶液中，其中草酸与氢氧化铌的摩尔比为2∶1，在80 ℃加热并搅拌至全部溶解，标记为溶液1。按照1∶3的摩尔比取六水合硝酸锌与硝酸钡，溶解于去离子水中，标记为溶液2。然后根据Ba(Zn1/3Nb2/3)O3的化学计量比，将溶液1和溶液2混合，在混合液中加入柠檬酸，其中柠檬酸与金属离子的摩尔比为2∶1，于 80 ℃加热搅拌，形成澄清溶液。接着在混合液中缓慢滴加氨水调节 pH值至 pH=7~8，得到澄清的溶胶。保持加热温度80 ℃继续搅拌4 h，确保溶胶稳定。接着提高加热温度至 100 ℃，促使溶胶中的水分蒸发，获得黏稠的棕褐色凝胶。将烧杯移至180 ℃烘箱中放置12 h，得到黑色的干凝胶。再将干凝胶研碎后在500~900 ℃下煅烧2 h，即可获得纳米氧化物粉体。

图1 纳米粉体制备流程图

2.2 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷块体的烧结

在煅烧后的纳米粉体中加入少量黏结剂（质量分数为5%的PVA），进行研磨造粒。将造粒后的粉体放入模具中，利用压片机压制成直径 10 mm、高度 4~5 mm的圆柱生坯，所用压力为200 MPa。将陶瓷坯体放进烧结炉中在不同温度（1 250~1 350 ℃）烧结4 h，获得Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷块体。

2.3 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3纳米粉体及陶瓷的结构表征

利用热分析仪（SA409C，德国Netzsch）对干凝胶进行热重（TG）与差示扫描量热（DSC）联动分析；利用红外光谱仪（Vetx70V，德国 Bruker）获取干凝胶及陶瓷粉体的红外光谱；利用X射线衍射仪（D/max 2500，日本Rigaku）表征陶瓷粉体及块体的物相结构；利用激光拉曼光谱仪（LabRAM HR800，法国Horiba）获得陶瓷块体的拉曼光谱；利用TEM（Tecnai G2-20，美国FEI）和SEM（JSM-7001F，日本JEOL）观察样品的显微形貌。

3 实验结果与讨论

文章来源：《烧结球团》 网址: http://www.sjqtzz.cn/qikandaodu/2021/0224/401.html