推荐设备：介电温谱测量系统

1、原材料 

钛酸钡，500nm，优级纯（质量分数≥99.5%）；无机硅胶，自制，质量分数30%；石墨，晶粒粒径为80mm，固定碳含量≥90%；九水偏硅酸钠，分析纯；环氧树脂，XW001；稀释剂660A。

2、陶瓷复合材料片材的制备 

分别向500nm级的钛酸钡中加入体积分数为3%的水玻璃溶液、无机硅胶溶液、石墨、蒸馏水和填料，然后将混合浆料放入玛瑙罐中，加上磨球，再放入全方位行星球磨机中对陶瓷浆料进行球磨，时间为5h。待粉体球磨均匀后，取5g粉体在压片机上利用专用的模具将浆料制成厚2mm、直径3cm的圆形片材，压制时间5min，压强20MPa。

把制得的圆形片材放入箱式电阻炉中，设定好程序，进行程序升温烧结，在600℃下烧结1.5h。烧结结束后，自然降至室温。观测不同复合材料片材烧结后的形貌，然后在片材的两表面涂上特制的石墨电极，利用TH2828precisionLCRmeter在1000Hz的频率下测定片材在室温下的介电性能。

3、陶瓷复合薄膜的制备 

向钛酸钡中添加从上述实验选出的最优填料，填料的体积分数分别为1%~10%。因为钛酸钡的成膜性差，所以在混合浆料中加入体积分数为1%的环氧树脂和稀释剂，将混合浆料放入全方位行星球磨机中球磨4h。取出浆料，使用匀胶机进行涂膜。膜片经不同程序升温曲线进行低温烧结。探讨填料用量及烧结温度对介电性能的影响。 

结果与讨论 

1、片材烧结后的形貌及强度

图1 不同填料填充的片材低温烧结后的形貌：（a）水玻璃（b）无机硅胶（c）石墨（d）蒸馏水

图1（a）～（d）分别是添加体积分数为3%的水玻璃、无机硅胶、石墨及蒸馏水填料的片材烧结后的表面形貌。由图1可以看出，填料分别为水玻璃和无机硅胶时，片材的表面形态完整无裂痕且硬度较高。由于水玻璃的熔点为40～48℃，在100℃下烧结可以使其均匀的混合在钛酸钡中。无机硅胶具有很强的表面张力，且是一种较好的粘结剂，加入无机硅胶可以将钛酸钡粉体较好地凝聚在一起，强度也较高。填料为石墨的片材表面呈现严重的裂纹，其原因是石墨和钛酸钡混合时存在着强的剪切作用力。图1（d）显示片材已经完全散开，这是由于蒸馏水在100℃下全部蒸发后，钛酸钡粉体在低温烧结后较难黏合在一起，所以片材烧结后碎裂，强度较差。

2、复合材料的介电性能

图2不同填料片材在不同湿度下的介电常数

图2是填料体积分数为3%，温度为20℃时复合材料在不同湿度下的介电常数变化情况。由图2可见，材料的介电常数随湿度的增加而增大。当填料的体积分数均为3%，烧结温度为600℃时，含水玻璃填料的复合材料具有最高的介电常数。其原因可能是水玻璃在烧结中形成的液相充分浸润固体颗粒，促进了传质的进行，从而使烧结温度降低。低温烧结并不能增加钛酸钡颗粒的致密性，加入水玻璃是改变了钛酸钡颗粒的外部环境，在颗粒周围形成能够小范围移动的自由带电离子，在外电场作用下，这些离子能增加颗粒的极化程度，并使极化方向一致，从而增加了复合材料的介电常数。添加无机硅胶和石墨后，复合材料的介电性能均有所提高，但低于添加水玻璃复合材料的介电性能。

3、不同体积分数的水玻璃对复合薄膜介电性能的影响 

应用于陶瓷体系的玻璃主要是指适当配比的若干种氧化物经过高温熔融后骤冷淬火而成的凝胶体，它是一种无周期、不对称的三维网络，其极化方式主要是电子位移式极化和离子位移式极化。这两种极化带来的能量损耗极小，但介电常数不高。玻璃没有确定的熔点，随着温度的升高而逐渐软化，当温度高于玻璃软化温度后即变为液态，从而加速晶粒的重排，促进陶瓷液相烧结，以达到降低烧结温度和增强陶瓷致密性的目的。 

图3 不同体积分数的水玻璃填料与复合薄膜介电常数的关系

图3是不同水玻璃体积分数的复合薄膜的介电性能。一般认为在钛酸钡陶瓷中添加玻璃会使其介电常数降低，但是由于能在较低的温度下进行液相烧结，玻璃能够明显地促进钛酸钡陶瓷致密化和减少气孔率。

4、低温烧结过程中升温程序的设定 

采用30℃/min、20℃/min和10℃/min的升温速率对20%体积分数的水玻璃-钛酸钡复合体系进行600℃的低温烧结。结果发30℃/min和20℃/min的升温速率造成片材急剧破裂，这是由于能量激增造成的。而10℃/min的升温速率是水玻璃-钛酸钡体系适宜的升温速率。为确定水玻璃-钛酸钡复合材料的最佳烧结温度，分别在600℃、400℃和100℃保温1.5h对含20%钛酸钡的水玻璃-钛酸钡复合材料进行程序升温烧结。图4为温度20℃、湿度40%下测得的介电常数值。

图4烧结温度与复合材料介电性能的关系图

由图4可见，烧结温度为100~600℃时，材料的介电性能变化不大，所以考虑在100℃烧结即可。 图5为以水玻璃为填料的片材在100℃烧结1.5h后的SEM图。

图5以水玻璃为填料的片材在100℃烧结 1.5h后的SEM图

由图5可以看出，上述条件烧结得到的钛酸钡 陶瓷较均匀、致密，可得到介电性能较好的复合陶瓷材料。

结论 

（1）添加水玻璃和无机硅胶能够使钛酸钡烧结后形成致密的片材强度大、硬度高、不易碎裂，而石墨和蒸馏水则不易形成稳定型片材，强度差； 

（2）添加水玻璃可以显著增加复合材料的介电常数，远远高于添加无机硅胶和石墨及没有添加填料的复合材料的介电常数； 

（3）烧结温度达到助烧剂的熔点即可，温度继续升高对材料的介电性能影响不大； 

（4）水玻璃最佳的添加量为3%的体积分数。

图4掺加量对复合云母纸拉伸强度的影响

如图4所示。由图4可以看出，研磨时间为15min时，随着掺加量的增加，复合云母纸的拉伸强度先增加后降低，在9%时拉伸强度达到最大值4.8N/cm，比纯印度云母纸的拉伸强度增加了20%；在15%时拉伸强度降至最小值3.7N/cm。

结论 

（1）当棒磨开片处理时间为15min，片麻岩云母 掺加量为9%时，复合云母纸的拉伸强度达到最大值4.5N/cm；当研磨开片处理时间为15min，片麻岩云母掺加量为9%时，复合云母纸的拉伸强度达到最大值4.8N/cm； 

（2）研磨方式更适合于片麻岩云母的开片处理，这是由于研磨对云母片的作用力以横向摩擦为主，能产生足够的摩擦力使云母片克服层间吸附力，形成径厚比较大的云母鳞片；而棒磨方式除了施加层间摩擦力之外，还对云母颗粒表面产生冲击力，片麻岩云母表面结晶不完整，裂纹缺陷较多，冲击力足够大时使云母破裂成面积较小、厚度较大的颗粒状物料，不利于提高复合云母纸的拉伸强度。