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SrRAlO_4(R=La,Nd,Sm)基陶瓷的结构与微波介电性能

毛敏敏  
【摘要】:具有K2NiF4结构的MRAlO4 (M=Sr,Ca; R=La, Nd, Sm)陶瓷微波介电性能优异,且制备容易、成本低,在微波高端和毫米波元件中有着十分重要的潜在应用。本文系统地研究了SrRAlO4陶瓷的成分、晶体结构、微结构对微波介电性能的影响规律,探索了其性能优化的途径。得到如下主要结论: 成分剪裁对SrSmAlO4陶瓷的相组成、微结构和微波介电性能有着重要的影响。名义组成为Sr1+xSm1-xAlO4-x/2的陶瓷主晶相为K2NiF4结构,同时含有少量随x值变化的第二相。当x0时,第二相为Sr2.25Sm0.75AlO4.875,而当x0时,第二相为SrSm2Al2O7。不同的第二相和微结构对微波介电性能有着不同的影响,化学计量成分对于保证最佳Qf值至关重要。 Sr/Ti协同置换影响SrSmA104陶瓷的层间极化和结构许容因子。随着置换量的增大,层间极化效应减弱,有利于Qf值的提高,而结构稳定性降低,对(?)值有负面影响。过大的A位离子半径差(Sr2+/Sm3+:1.31 A/1.132 A)导致岩盐层内的内应力增大,最终导致(?)值的下降。HRTEM和SAED观察表明晶格畸变随着x值的增大而增大。 利用XRD数据Rietveld结构精修、拉曼光谱和红外反射光谱分析,研究了Sr1+xSm1-xAl1-xTixO4 (x=0,0.05.0.10,0.15)陶瓷的精细结构变化,发现Sr/Sm-O(2b)和A1/Ti-O(2)键在x=0.10到0.15处有反常的变化。这一反常变化导致额外的内应力,致使(?)在x=0.10到0.15处显著下降,表明Qf值对沿着c轴方向离子排列引起的结构变化敏感。 通过Ca2+置换Sr2+形成固溶体的方法,合成了具有K2NiF4结构的(Sr1-xCax)SmAlO4 (x= 0.0.1.0.3.0.5,0.7,0.9,1.0)陶瓷,其Oj值获得显著改善。红外反射光谱的拟合分析揭示,A位离子半径差减小使得本征损耗降低。同时, A位离子所处的十二面体结构通融性较好,减小了固溶体中的微结构不均匀,从而降低了非本征损耗。此外,Ca2+的加入削弱了Sr-O键的强度,使得谐振频率温度系数(?)变得更负。 在0≤x≥1范围内合成了具有K2NiF4结构的(1-x)SrLaAlO4-xSr2Ti04固溶体陶瓷。随着x值的增大,由于Ti4+具有高的极化率,相对介电常数从17.6增加到31.0。同时,Ti4+长程耦合作用的增加导致了谐振频率温度系数Tf从-32 ppm/℃变到122 ppm/℃.层间失配和层间极化的相互竞争作用导致Of值的变化趋势先小幅上升而后下降,而x=0.2附近的Qf值异常下降与微区成分不均和起伏有关。透射电镜微区分析发现微区成分不均和起伏导致的晶格畸变,这与固溶体形成过程中产生较大正混合焓有关。 研究出了以下具有良好综合微波介电性能的材料: 1)(Sr1-xCax)SmAlO4(x=0.7):εr=18.7,Qf=125,100 GHz,τf=-9.7 ppm/℃: 2)(1-x)SrLaAlO4-xSr2TiO4(x=0.4):εr=18.5,Qf=95,000 GHz,τf=-8.9 ppm/℃.


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