张云霞、郝俊杰、戚君婷、焦娟、陈存广（北京科技大学材料科学与工程学院）的研究《Nb2O5掺杂对BaTiO3基介电陶瓷瓷料性能的影响》发表于《powder metallurgy industry》（粉末冶金工业）2011年第21卷第2期。该研究聚焦电子陶瓷领域，针对BaTiO3基陶瓷在高温下介电性能不稳定的问题，通过Nb2O5掺杂改性探索其微观结构与介电性能的关联机制。

学术背景

BaTiO3（钛酸钡）作为核心介电材料，虽具有高室温介电常数（εr），但其介电性能在超过居里温度（130℃）后急剧恶化。传统稀土掺杂（如La3+、Yb3+）虽能展宽居里峰，但难以兼顾温度稳定性与低介质损耗（tanδ）。本研究创新性地引入高价位Nb5+掺杂，通过固溶体形成（BaNb0.5Ti0.5O3）调控晶格缺陷，旨在实现X8R特性（-55~180℃容温变化率±15%以内）。

研究流程

1. 样品制备

   • 固相合成法：按表2配比称量BaTiO3、Nb2O5等原料，球磨24小时（球:料:酒精=2:1:1），造粒后压制成Φ10mm×1~2mm圆片。
     
   • 烧结工艺：550℃排胶后，分三组（1220℃、1240℃、1260℃）烧结2小时，采用SSJ-14A烧结炉。
     

2. 性能表征

   • 介电性能：使用XC2810ALCR阻抗分析仪（1kHz）测量-55~180℃区间电容（C）和tanδ，按公式εr=144Ch/d²计算介电常数。
     
   • 微观结构：LEO-1450扫描电镜（SEM）观察晶粒形貌；DMAX-RC X射线衍射仪（XRD，Cu靶λ=0.151406nm）分析相组成。
     

3. 数据分析

   • 介电常数温度系数（αε）通过公式αε=(εmax-εref)/[εref(Tmax-Tref)]计算，以20℃为参考点。
     

主要结果

1. 介电性能优化

   • 最佳配比：2wt% Nb2O5掺杂样品在1260℃烧结时性能最优（ε25℃=1395，tanδ=0.013），αε低温-4.1%、高温-6.76%，满足X8R标准（图3b）。
     
   • 机制解析：Nb5+（0.64nm）取代B位Ti4+（0.605nm）形成固溶体，抑制Ti4+还原为Ti3+，降低氧空位浓度（表3）。过量掺杂（>2%）导致晶格畸变，εr下降（图5）。
     

2. 微观结构演变

   • SEM分析：Nb2O5促进晶粒长大（图6），1220℃烧结时晶粒不均（图7a-b），1260℃时致密化显著（图7e-f），孔隙率降低。
     
   • XRD验证：所有样品主相为BaTiO3，次相BaNb0.5Ti0.5O3证实Nb5+固溶（图5）。
     

结论与价值

1. 科学价值：阐明Nb5+掺杂通过B位取代调控氧空位与电子极化的机制，为高稳定性介电陶瓷设计提供新思路。
   
2. 应用价值：2wt% Nb2O5掺杂工艺可直接应用于多层陶瓷电容器（MLCC）生产，提升高温工作可靠性。
   

研究亮点

1. 创新方法：首次系统研究Nb2O5对BaTiO3烧结温度窗口（1220~1260℃）的协同优化效应。
   
2. 关键发现：Nb5+掺杂量存在阈值（2wt%），过量将破坏钙钛矿结构稳定性（图6h）。
   

其他发现

• 稀土协同效应：La3+/Yb3+少量掺杂（<1wt%）进一步抑制介电常数温度漂移（参考文献[7]）。
  
• 工艺优化：1260℃烧结使介温曲线平缓化（图4a），证实高温烧结可减少晶界缺陷。
  

（注：全文数据均引自原文图表及实验数据，未添加外部参考文献。）