The effect of sintering temperature and $Nb_2O_5$ addition on the sintered density and the dielectric properties of $BaTiO_3$ was investigated. $Nb_2O_5$ was incorporated in $BaTiO_3$ in the form of $Ba_{0.5}NbO_3$ to achieve ionic balance, but to achieve ionic imbalance it was added in the form of $NbO_{2.5}$. However, there was little difference between the two additions in this experiment. The amounts of $Ba_{0.5}NbO_3$ in $BaTiO_3$ were 0.2 mole %, 0.5 mole %, 1.0 mole %, and 2.0 mole % and those of $NbO_{2.5}$ were 0.4 mole %, 1.0 mole %, 2.0 mole % and 4.0 mole %.
The specimens of dise shape were sintered at 1200℃, 1300℃, and 1400℃ for 1 hour. Some specimens were also sintered at 1250℃ and 1350℃.
The heating rate to the sintering temperatures was 8.3℃/min and the cooling rate after the sintering was 11.7℃/$\min$. To investigate the effect of the cooling rate some specimens containing 0.5 mole % $Ba_{0.5}NbO_3$ and 1.0 mole % $Ba_{0.5}NbO_3$ and sintered at 1300℃ were cooled at the speed of 65℃/$\min$.
Below the concentration of about 0.5 mole % $Ba_{0.5}NbO_3$ or $NbO_{2.5}$ the sinterability was reduced, but above that concentration it was raised. However, the sinterability was reduced again above about 2.0 mole % $Ba_{0.5}NbO_3$ or $NbO_{2.5}$.
The grain sizes of both pure $BaTiO_3$ and those containing $Ba_{0.5}NbO_3$ or $NbO_{2.5}$ were influenced by the sintering temperature. When sintered at 1300℃, their grain sizes were nearly the same and were in the range of 2-10㎛. When sintered at 1400℃, their grain sizes increased as the added amount of $Ba_{0.5}NbO_3$ or $NbO_{2.5}$ increased. For example, the grain sizes of those containning 1.0 mole % $Ba_{0.5}NbO_3$ or 1.0 mole % $NbO_{2.5}$ were in the range of 4-30㎛.
The dielectric constant and its temperature dependence of pure $BaTiO_3$ and those containing $Ba_{0.5}NbO_3$ or $NbO_{2.5}$ varied with the sintering temperatures and the cooling rates after the sintering. Their variation was intimately related with grain size and internal stress, which coincided with Buessem et al.'s internal stress model. The dielectric constant and its temperature dependence were also varied with $Ba_{0.5}NbO_3$ or $NbO_{2.5}$ concentrations. Their variations were similar to Subbarao et al. and Smolenskii et al.'s experimental results. However, above about 2.0 mole % $Ba_{0.5}NbO_3$ or $NbO_{2.5}$ anomolous results different from Subbarao et al. and Smolenskii et al.'s results were obtained.
Curie temperature of pure $BaTiO_3$ was in the range of 115-120℃.
$BaTiO_3$의 소결밀도 및 dielectric property에 소결온도와 $Nb_2O_5$의 첨가가 미치는 영향을 고찰하였다. $Nb_2O_5$는 ionic balance를 이루도록 $Ba_{0.5}NbO_3$의 형태로 $BaTiO_3$에 첨가하였으며 아울러 ionic balance를 고려하지 않고 $NbO_{2.5}$의 형태로 첨가하였지만 본 실험의 결과에 나타난 바에 의하면 별 차이가 없었다. $Ba_{0.5}NbO_3$는 0.2mole%, 0.5mole%, 1.0mole%, 및 2.0mole%를 $BaTiO_3$에 첨가하였으며 $NbO_{2.5}$는 0.4mole%, 1.0mole%, 2.0mole%, 및 4.0mole%를 첨가하였다.
소결온도는 1,200℃, 1,300℃ 및 1,400℃ 이었으며 1시간 동안 소결하였다. 일부의 시편은 1,250℃와 1,350℃에서도 소결하였다. 소결온도까지의 가열 속도는 8.3℃/$\min$로 하였으며 소결후 후의 냉각속도는 11.7℃/$\min$로 하였다. 냉각속도에 따른 변화를 보기 위하여 조성이 0.5mole% $Ba_{0.5}NbO_3$와 1.0mole% $Ba_{0.5}NbO_3$인 일부의 시편은 1,300℃에서 소결을 행한 후에 65℃/\min$의 냉각속도로 냉각하였다.
약 0.5mole% 이하의 $BaTiO_3$에 첨가하였을 때는 sinterability가 감소하는 경향이 있었으며 그 이상을 첨가하였을 때는 sinterability가 증가하였다. 그렇지만 약 2.0mole% 이상의 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가되면 sinterability가 다시 감소하였다.
소결온도는 pure $BaTiO_3$와 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가된 $BaTiO_3$의 grain size에 영향을 주었다. 1,300℃에서 소결하였을 때는 grain size가 2∼10㎛로 조성에 거의 무관하게 일정하였으나 1,400℃에서 소결하였을 때는 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가되는 량이 증가할 수록 grain size가 커지는 경향을 나타냈다. 예로써 1.0mole%의 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가된 경우의 grain size는 4∼30㎛ 정도로 나타났다.
Pure $BaTiO_3$와 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가된 $BaTiO_3$의 유전상수 및 그 온도특성은 소결온도와 소결후의 냉각속도에 따라서 변하였다. 이 결과는 grain size와 internal stress와 밀접한 관련이 있다고 판단되며 Buessem et al.이 제시한 internal stress model과 일치했다. $BaTiO_3$의 유전상수 및 그 온도특성은 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$의 첨가량에 따라서도 변하였다. 이 결과는 Subbarao et al.과 Smolenskii et al.의 실험결과와 유사하였다. 그렇지만 2.0mole% 이상의 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$를 $BaTiO_3$에 첨가하였을 때는 Subbarao et al.과 Smolenskii et al.의 결과와 전혀 다른 결과가 나왔다.
Pure $BaTiO_3$의 Curie temperature는 115∼120℃의 범위에 있었다.
