CBS玻璃掺杂铁电/铁磁复合材料性能研究

程春华 凌味未

摘 要：采用标准陶瓷工艺，在900℃和950℃成功制备了可应用于LTCC（低温共烧陶瓷）工艺的掺杂CBS的BaTiO3/NiCuZn复合材料。对比研究了添加CBS前后复合体系磁性能和介电性能变化。发现CBS能够减弱低频段的磁导率频散，并能在一定程度提高高频段的Q值；同时，它还能明显抑制界面极化对复合材料介电性能的影响，可使高频段的介电损耗降低至0.001。

关键词：铁电/铁磁复合材料；LTCC；CBS玻璃；磁性能；介电性能

随着信息技术的高速发展，电子系统对小型化和集成化的要求越来越高，这使得无源集成和无源/有源混合集成技术面临挑战。

近几年，LTCC（低温共烧陶瓷）技术作为一种先进的三维互联封装技术得到了更加广泛的应用，针对LTCC材料多元化和系列化的研究也逐渐成为一个热点。另一方面，铁电/铁磁复合材料因其具有优良的介电性能和磁性能，在无源集成、抗电磁干扰、器件小型化等领域有很大的潜力。

BaTiO3/NiCuZn铁氧体是研究得较多的一类铁电/铁磁复合体系，因为BaTiO3陶瓷具有优良的介电性能[ 1 ]，并已商业化，而NiCuZn也具有高磁导率、高化学稳定性和良好的频率特性[ 2 ]。所以，本文继续选用这一复合体系作为研究对象，同时，为了使体系具有较低的磁损耗和介电损耗，将两相质量比控制为10：1。

玻璃是低温烧结研究中常用的烧结助剂，在LTCC材料体系中也占有重要的地位，常用的类型有CBS（CaO-B2O3-SiO2），BBSZ，硼硅玻璃[ 4 ]等。其中，CBS玻璃不仅对NiCuZn铁氧体有较好的助烧作用，还被广泛用于CaTiO3，BaTiO3和Al2O3等陶瓷的低温烧结或改性研究。

因此，本文选用CBS玻璃作为BaTiO3/NiCuZn复合体系的低温烧结助剂。

1 实验材料与方法

按照分子式Ni0.06Cu0.3Zn0.64Fe2O4称取分析纯的氧化亚镍，氧化锌，氧化铜，氧化铁粉体混合均匀，利用球磨机湿磨13h，烘干，并于800℃在空气中预烧3小时得到铁氧体预烧粉。

以CaCO3，H3BO3，SiO2为原料，按质量分数47.8%CaO，30.2%B2O3，

22.0%SiO2的比例配料，混合后湿磨24小时，取出烘干。将粉体放入烧结炉中， 1300℃保温1个小时，开炉取出，将液态熔融物骤冷得到CBS玻璃，将玻璃磨成粉待用。

按照质量比10：1分别称取预烧粉和钛酸钡混合，再分别加入占上述混合粉体质量的0%，10%的CBS玻璃粉体。混合粉体湿磨13小时，烘干，添加7%（质量分数）聚乙烯醇造粒，100目筛网过筛，在5Mpa压力，成型得到圆环和圆片状生坯，最后生坯样品在900℃，950℃煅烧3小时得到烧结样品。

样品的磁导率和介电常数由TH2826A阻抗分析仪在20HZ～2MHZ的频率范围测得。

2 结果与分析

2.1 磁性能对比

图1是两个温度不同CBS含量的复合材料磁导率随频率的变化曲线。

在较低频段，950℃两个样品和900℃玻璃掺杂样品都出现了不同程度的频散现象，这与Ghodake研究的NiCuZn铁氧体磁谱时发现的结果一致[ 4 ]，主要是磁畴壁移动机制对磁导率产生的贡献。对两个温度点的烧结样品，加入CBS后都使频散现象都有不同程度的减弱，尤其是900℃，基本消除了频散。

其次，随着烧结温度升高，未掺杂样品的磁导率有明显升高。对同一烧结温度，加入CBS都会导致磁导率有不同程度下降，特别是950℃烧结的样品，这说明添加CBS对复合体系的磁导率有抑制作用。

图2是两个温度不同CBS含量的复合材料品质因数随频率的变化曲线。首先，高烧结温度的样品的品质因数都明显高于低烧结温度的样品，这一现象在高频段更为明显。其次，对900℃烧结的样品，加入CBS后品质因数的峰值有大幅提升；而对950℃烧结的样品，添加CBS使其品质因数峰值向高频移动。所以，添加CBS有助于改善复合体系的高频磁性能。

2.2 介电性能对比

图3是两个温度不同CBS含量的复合材料介电常数随频率的变化曲线。在10kHz以下，不添加CBS的样品的介电常数值有一个骤降的过程，这是由Maxwell-Wagner型界面极化导致，而添加了CBS的两个样品都没有类似现象，故添加CBS能有效的抑制界面极化。此外，在整个测试的频率范围内，添加CBS的样品的介电常数随频率变化较小，有更宽的应用频段。图3的内插图是测试样品在1MHz～ 2MHz的介电谱放大图，可以看出，烧结温度升高，能够显著提升样品的介电常数。对950℃烧结的样品，添加CBS介电常数有所下降，而900℃烧结的样品这一现象不明显。

图4是两个温度不同CBS含量的复合材料介电损耗随频率的变化曲线。可见，加入CBS能够有效的降低复合材料的介电损耗，特别是低频范围的损耗。

图4的内插图是四个样品在1MHz～2MHz的介电损耗变化的放大图，可以看出，烧结温度较高的样品介电损耗也较高，但加入CBS后高频段介电损耗也大幅下降，在部分高频点损耗值可降至0.001。

3 结论

1）加入CBS能够抑制磁谱中的频散现象，但会在一定程度降低复合体系的磁性能。

2）升高烧结温度和添加CBS都能有效的提升体系品质因数，而添加CBS对高频磁性能的改善更明显。

3）加入CBS能有效消除界面極化现象，但介电常数有一定幅度下降。

4）加入CBS能大幅降低复合材料的介电损耗，在高频段最低可降至0.001。

参考文献：

[1] 肖长江，朱玲艳，张恒涛.Nb2O5对BaTiO3陶瓷性能的影响.硅酸盐通报，2014，1.

[2] 代建清，周小兵，陈辉.低温烧结NiCuZn铁氧体粉体的制备与磁性能.硅酸盐学报，2016，6.

[3] 凌味未.低温共烧（LTCC）铁电/铁磁复合材料与器件研究，2011：14-35.

[4] Ren Luchao，Luo Xianfu， Hu Lisong. Synthesis and characterization of LTCC compositions with middle permittivity based on CaO-B2O3-SiO2 glass/CaTiO3 system. JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY.2（2017）619-623.

致谢：

感谢国家自然科学基金项目（No.61201094），四川省科技支撑计划项目（2016GZ0285）和四川省教育厅重点项目（No.15ZA0188）对本文工作的资助。