溶胶凝胶法制备微波介质陶瓷综合实验设计(2)

3.1 干凝胶的热分析

对180 ℃焦化后得到的干凝胶进行热分析，研究干凝胶的分解过程和结晶特性，以便选择合适的干凝胶煅烧温度。图2为干凝胶的TG-DSC曲线。从图中可以看出，200 ℃至400 ℃之间 DSC曲线上出现一个较小放热峰，峰值位于260 ℃，干凝胶重量损失约30%，此阶段对应干凝胶中柠檬酸盐的分解[11]。在400 ℃至 600 ℃之间出现了两个连续且尖锐的放热峰，峰值分别位于 483 ℃和 553 ℃，该阶段主要发生了剩余有机物的分解，从而导致干凝胶重量损失约60%。当温度超过600 ℃，几乎没有失重，说明600 ℃后结晶完成。

图2 干凝胶的TG-DSC曲线

3.2 红外光谱分析

根据热分析结果，同时考虑到实际煅烧时炉中的缺氧环境，将干凝胶在500~900 ℃进行煅烧，并对各煅烧温度的粉体进行红外光谱分析。图3为干凝胶及不同温度煅烧后Ba(Zn1/3Nb2/3)O3粉体的红外光谱。首先分析干凝胶的红外光谱，共出现3个明显的吸收峰，它们分别对应着柠檬酸盐和草酸盐的特征吸收带。其中，位于3 430 cm–1处的宽吸收带是由于–OH的伸缩振动引起的，出现在1 631 cm–1的较宽吸收带是由于—COO2–的反对称伸缩振动所产生的，1 433 cm–1处的特征吸收峰对应于—OH的弯曲振动。对比粉体的红外光谱图，可以发现，随着煅烧温度的提高，上述有机官能团的特征谱带逐渐消失，表明样品中的有机物逐步排净。经过500 ℃煅烧后，Ba(Zn1/3Nb2/3)O3粉体的红外光谱中615 cm–1附近出现明显的吸收峰，有文献证明该峰对应O—(ZnNb)—O振动模式[12]，说明煅烧温度在500 ℃以上就能成相。

图3 干凝胶及不同温度煅烧后粉体的红外光谱

3.3 纳米粉体的物相与微观形貌分析

图4 是不同温度煅烧后Ba(Zn1/3Nb2/3)O3粉体的X射线衍射（XRD）图谱，500 ℃煅烧后粉体中出现了立方钙钛矿结构的特征衍射峰，但衍射峰较弱，并出现少量 ZnO和 BaCO3的衍射峰。随着煅烧温度升高，立方相的衍射峰强度逐渐增强，峰形更加尖锐，这说明粉体的结晶性得到提高，这一结果与图3中红外光谱得出的结论一致。同时第二相特征峰强度随煅烧温度的提升而逐渐减弱。当煅烧温度提高至800 ℃及以上时，粉体中形成单一的钙钛矿相。

图4 不同温度煅烧后粉体的XRD图谱

图5 不同温度煅烧后粉体的形貌

在TEM下观察经800 ℃以及900 ℃煅烧后粉体的微观形貌，如图5所示。经过800 ℃煅烧，粉体的颗粒尺寸约 18~20 nm，分散较为均匀。而 900 ℃煅烧后，颗粒尺寸增加到25 nm，并且有轻微的团聚现象。随着煅烧温度的升高，粉体尺寸略有长大，故选择800 ℃作为最终的煅烧温度。

3.4 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷的结构与微波介电性能分析

将800 ℃煅烧的粉体在1 250~1 350 ℃烧结4 h，获得Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷。图6为经过1 350 ℃烧结后陶瓷的表面形貌，可以看出在此烧结温度下Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷晶粒较均匀、无明显气孔相，表明瓷体已基本烧结致密，而文献报道相对密度良好的Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷通常都需要1 400 ℃以上固相烧结才能获得，可见利用溶胶-凝胶法制备的Ba(Zn1/3Nb2/3)O3纳米瓷粉确实能够在一定程度上降低该陶瓷的烧结温度。

图6 经过1 350 ℃烧结后陶瓷的表面形貌

由于Raman光谱是探测复合钙钛矿结构中B位长程有序排列的有效手段[13]，因此对1 350 ℃烧结后陶瓷样品进行了 Raman光谱分析，如图 7所示。在100~1 000 cm–1范围内，共观察到 7个振动模，这与文献中有关 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷 Raman谱图的报道一致[14]。其中低波数区171、268与293 cm–13个振动模式对应六方 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3中的 1∶2有序结构，这说明溶胶-凝胶法有利于提高 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷中的1∶2有序度。

图7 经过1 350 ℃烧结后陶瓷的Raman光谱

测试在不同温度烧结后所得瓷体的微波介电性能，结果见表 1。随着烧结温度的提高，试样的相对介电常数εr与品质因数Q×f均有所提高，这一现象与陶瓷的致密程度有关。当烧结温度为1 350 ℃时，可以获得最优异的性能：εr= 37.76，Q×f= 23 694 GHz。

表1 Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷的微波介电性能烧结温度/℃ 相对介电常数εr 品质因数Q×f/GHz 1 350 37.76 23 694 1 330 37.16 21 175 1 300 35.46 7 016 1 250 27.4 9 449

4 教学讨论

本实验围绕当前 5G材料方向的研究热点，根据材料专业的知识体系和教学特点，将Ba(Zn1/3Nb2/3)O3微波介质陶瓷方面的科研成果与本科实验教学相结合。通过溶胶-凝胶法制备纳米瓷粉，从而降低陶瓷的烧结温度，实验设计思路清晰。本实验可以根据实验条件以小组形式进行，实验开展前期要求学生阅读Ba(Zn1/3Nb2/3)O3微波介质陶瓷的相关文献，了解实验原理，激发学生的科研兴趣；在学生开展实验过程中，规范学生的实验操作，培养学生的动手实践能力；实验结束后，引导学生整理分析数据，养成学生严谨的治学态度。

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