铌钛酸盐体系微波介质陶瓷的制备与性能研究
微波介质陶瓷作为微波谐振器和滤波器的关键材料,在微波通讯技术中有着广泛的用途。本文从材料组成、制备工艺、材料内部晶体微观结构与微波介电性能的角度出发,采用传统固相法制备微波介质陶瓷,并对陶瓷进行XRD、SEM分析,并研究了陶瓷密度、微观结构对介电性能的影响,论文的主要内容包括:
首先,采用传统固相法制备了ZnNb2O6陶瓷,通过XRD、SEM、密度以及微波性能的测试,分别研究了预烧温度、烧结温度以及过量的ZnO的添加对ZnNb2O6陶瓷的相结构和微波性能的影响,预烧温度为800℃时,得到了单一的ZnNb2O6相,烧结温度为1150℃时,得到最佳微波性能(εr=24.47,Q*f=27195GHz,τf=-84.89ppm/℃),通过添加过量的ZnO来弥补ZnO挥发对ZnNb2O6陶瓷结构和性能的影响,当添加1％过量的ZnO时,得到最佳微波性能(εr=24.02,Q*f=32394GHz,τf=-87.07ppm/℃)。
然后,根据A位离子半径的大小,分别选择Y3+、La3+和Sm3+离子取代Zn2+离子,Ti4+离子取代一个Nb5+离子,制备了Y(Ti0.5Nb0.5)2O6、LaTiNbO6、SmTiNbO6微波介质陶瓷,并研究了微波介质陶瓷的相分析、烧结特性、微观结构和微波性能。当预烧温度为1350℃时,制备出了正交晶系的Y(Ti0.5Nb0.5)2O6单相粉体,烧结温度为1500℃时,Y(Ti0.5Nb0.5)2O6陶瓷的微波性能最佳(εr=21.36,Q*f=19607GHz,τf=-64.27ppm/℃)。对于LaTiNbO6陶瓷,当预烧温度为1200℃时,LaTiNbO6会发生从正交晶系到单斜晶系的相变,预烧温度升至1300℃时,制备出LaTiNbO6单相,为单斜晶系。烧结温度为1400℃时,LaTiNbO6陶瓷的微波性能最佳(εr=22.87,Q*f=17822GHz,τf=-67.39ppm/℃)。对于SmTiNbO6陶瓷,当预烧温度为1340℃时,可以得到正交晶系的SmTiNbO6单相;当烧结温度为1440℃时,SmTiNbO6陶瓷的微波性能最佳(εr=49.55,Q*f=19694GHz,τf=50.05ppm/℃),只有SmTiNbO6微波介质陶瓷具有正方向的谐振频率温度系数。
把ZnNb2O6与SmTiNbO6复合,制备(1-x)ZnNb2O6-xSmTiNbO6复相陶瓷,研究发现(1-x)ZnNb2O6-xSmTiNbO6复相陶瓷在烧结的过程中发生反应,SmTiNbO6含量不同,复相陶瓷相组成不同。当x＜0.5时,陶瓷组分为ZnNb2O6、ZnTiNb2O8、SmNbO4;当x=0.5时,陶瓷组分为ZnTiNb2O8、SmNbO4;当0.5＜x＜0.733时,陶瓷组分为ZnTiNb2O8、(Za0.15Nb0.3Ti0.55)O2、SmNbO4;当x=0.733时,陶瓷组分为(Zn0.15Nb0.3Ti0.55)O2、SmNbO4;当x＞0.733时,陶瓷组分为(Zn0.15Nb0.3Ti0.55)O2、SmNbO4、SmTiNbO6。通过对不同组分的复合陶瓷的微波性能研究可知,当x≥0.5时,复合陶瓷中已经不再含有ZnNb2O6,而随着x的增加,复相陶瓷的谐振频率温度系数随着X的增加由负值变为正值,因此选择ZnTiNb2O8代替ZnNb2O6作为基体材料与SmTiNbO6复合。通过对(1-x)ZnTiNb2O8-xSmTiNbO6复相陶瓷的制备与微波性能研究得出,当X=0.35时,烧结温度为1150℃时制备出了介电常数εr为24.63,品质因数Q*f为11846GHz,谐振频率温度系数τf为0.16ppm/℃的性能优异的微波介质陶瓷材料,但是陶瓷的致密度太低,烧结温度过高,无法与Ag、Cu电极共烧,因此需要添加助烧剂,降低陶瓷的烧结温度,同时提高其致密度,进而改善材料的微波介电性能。
通过分别添加CuO和CuO-ZnB两类助烧剂降低复相陶瓷的烧结温度,研究其烧结特性和微波性能,当CuO的添加量为0.5wt％,烧结温度为1125℃时,0.65ZnTiNb2O8-0.35SmTiNbO6复相陶瓷的微波性能最佳,介电常数为36.57,品质因数为17793GHz,谐振频率温度系数为1.2117ppm/℃;在烧结过程中CuO与复相陶瓷的基体材料发生反应,未出现液相,属于固相烧结机制。对于二元体系烧结助剂CuO-ZnB,当CuO与ZnB玻璃的比例为3:1时,助烧剂的低温烧结效果最佳,添加3wt％CuO和1wt％ZnB玻璃后,对于复相陶瓷(1-x)ZnTiNb2O8-xSmTiNbO6,当X=0.73,烧结温度为950℃时,陶瓷的微波性能最佳,介电常数为35.67,品质因数为13710GHz,谐振频率温度系数为5.38ppm/℃;烧结过程中有液相出现,CuO-ZnB低温烧结机制属于液相烧结机制。
微波介质陶瓷;介电常数;品质因数;助烧剂;铌钛酸盐
中国海洋大学
博士
海洋化学工程与技术
尹衍升;刘英才
2011
中文
TQ174.756
113
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）