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六方钙钛矿陶瓷的晶体结构与微波介电性能研究

田彩兰  
【摘要】:基于h-BaTiO_3的六方钙钛矿化合物是一类具有重要潜在应用价值的新型介质材料。本论文系统研究了h-BaTiO_3型六方钙钛矿微波介质陶瓷的物相形成规律、室温稳定机制、微波介电响应特性、以及组成、结构与性能的关系。 首先,对BaTiO_3中的Ti4+离子进行等价态组合离子取代,探讨了组合离子取代对相变的影响规律。随着取代量加大,在Ba[Ti_(1-x)(Co_(0.5)W_(0.5))x]O_3和Ba[Ti_(1-x)(Zn_(0.5)W_(0.5))x]O_3体系中,其物相由立方相(Pm3m)转变为六方相(P63/mmc),最后转变为立方双钙钛矿相(Fm3m);在Ba[Ti_(1-x)(Ga_(0.5)Sb_(0.5))x]O_3体系中,其物相由立方相(Pm3m)转变为六方相(P63/mmc)。适量取代后,成功获得了室温稳定的h-BaTiO_3填满型六方钙钛矿单一物相陶瓷,但是不同的B位离子其形成六方钙钛矿的组成范围不同。通过对实验结果进行分析,进一步揭示出六方钙钛矿的结构稳定与B位离子半径或键角O-B-O的成键倾向有关。 其次,对典型六方钙钛矿的晶体结构进行精修,确定其结构参数,借助精修数据,探讨了钙钛矿结构中氧八面体的连接方式与微波介电性能之间的关系。结果表明,六方钙钛矿陶瓷所具有的较高的品质因数(Q×f),较低的介电常数(εr)和近零的频率温度系数(τf)与其晶胞中部分氧八面体共面连接有关,氧八面体的共面连接使B-O键的键长缩短、键强加强、氧八面体旋转或倾斜的自由度降低,致使εr降低,Q×f提高,τf近零。根据晶体结构精修结果,提出了六方钙钛矿晶胞中因共面连接氧八面体形变,存在相互平衡的自发偶极矩的设想,很好地解释了六方钙钛矿陶瓷微波介电性能的变化规律,为调控h-BaTiO_3填满型六方钙钛矿陶瓷的微波介电性能提供了理论依据。 最后,通过复相设计和形成固溶体陶瓷的方法,分别将(1x_(vol))Ba_4LiNb_3O_(12)-x_(vol)BaWO_4和Ba[Ti_(0.4)Ga_(0.3)Nb_(0.3)(1-x)Sb_(0.3)x]O_3体系的τf调节到了0ppm/oC附近,获得了具有实用价值的两类陶瓷体系,其微波介电性能分别为:εr=16.9,Q×f=75500GHz,τf=+8.7ppm/oC(xvol=0.69);εr=29.0,Q×f=19400GHz,τf=-1.1ppm/oC(x=0.50)。这些陶瓷使低、中介电常数类微波介质陶瓷的种类更为丰富。


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