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SrLn_2Al_2O_7(Ln=La,Nd,Sm)基陶瓷的结构与微波介电性能

易磊  
【摘要】:Ruddlesden-Popper层状钙钛矿结构化合物的化学通式为A'2[An-1BnO3n+1],因其具有优异的物理和化学性能而引起了广泛关注。近些年来,其研究范围已扩展到微波介质材料领域。本论文系统研究了该系列化合物中n=2的SrLn2A1207(Ln=La,Nd,Sm)陶瓷的结构、微结构对材料微波介电性能的影响规律;利用Sr/Ca置换对陶瓷的烧结行为和微波介电性能进行了改性;探索了该类材料所处的MO-Ln2O3-Al2O3(M=Sr,Ca;Ln=La,Nd)赝三元体系中其它成分陶瓷材料的微波介电性能。 首先,通过标准固相反应法制备了空间群为14/mmm的SrLn2Al2O7(Ln=La, Nd,Sm)陶瓷。分析测试结果表明,该系列陶瓷具有较好的微波介电性能,有望成为微波应用的有力候选材料。XRD精修结果表明,Sr2+/Ln3+离子在SrLn2Al2O7(Ln=La,Nd,Sm)结构中有两种位置,并且它们存在不同的占位分布。随着稀土离子半径的减小,结构中的Ln3+离子倾向占据盐岩层(RS)中的A(2)位置,而双钙钛矿层(P2)中A(1)位置的Sr2+离子比重增加。这种占位分布使得SrLn2Al2O7结构中盐岩层(RS)的层间极化电荷随着稀土离子半径的减小而增加,带来了结构中内应力的增加,造成结构中绝大部分键长和键角畸变程度增加,从而使得介电损耗增加。红外反射光谱研究结果表明,Sr2+/Ln3+离子相对A106八面体的平移振动对SrLn2Al2O7(Ln=La,Nd,Sm)的介电损耗和介电常数起主要的贡献。材料的τf(谐振频率温度系数)值随着稀土元素由La变为Sm朝正方向移动是与其介电常数增加相关的。 通过Sr/Ca置换形成了(Sr1-xCax)La2A1207和(Sr1-xCax)Nd2A1207固溶体,其陶瓷的烧结行为和微波介电性能得到大大改善。Ca2+离子的引入使得结构中阳离子的占位分布都趋向理想化,降低了固溶体的自由形成能,这是其烧结行为改善的根本原因。由于在不同的固溶体中,Ca2+离子倾向占据的位置是不一样的,这使得在(Sr1-xCax)La2A1207和(Sr1-xCax)Nd2A1207固溶体中堆垛缺陷最少的成分点不相同,前者在x=0.1处,后者在x=0.5处。通过透射电镜(TEM)分析,可以很清楚地看到这些堆垛缺陷的分布情况。致密度的提高和堆垛缺陷的减少是固溶体陶瓷Qf(品质因数×谐振频率)值改善的主要原因,而τf值随着x增加朝正方向移动也是由于完全致密情况下材料的介电常数增加所致。 通过研究(Sr,Ca)Ln2A1207陶瓷所处的MO-Ln2O3-Al2O3(M=Sr,Ca;Ln=La, Nd)赝三元系中其它成分的微波介电性能,又发现了一些具有良好微波介电性能的材料,例如CaAl2O4陶瓷。这为扩大具有Ruddlesden-Popper结构的MLnAlnO3n+1(n=1,2∞)微波介质陶瓷材料的成分裁剪范围和构建具有优异微波介电性能的复合材料提供了重要的实验依据。 探索出了以下具有优异综合微波介电性能的新材料: ◢SrLn2Al2O7(Ln=La,Nd,Sm): εr=18.2~21.6,Qf=64,680~71,680GHz,τf=-22.1~+4ppm/℃ ◢(Sr1-xCax)La2Al2O7(x=0.1~0.3): εr=19.7~20.1,Qf=135,400~110,700GHz,τf=-18.5ppm/℃ ◢(Sr1-xCax)Nd2Al2O7(x=0.5): εr=21.2,Qf=68,200GHz,τf=-0.5ppm/℃ ◢CaAl2O4: εr=8.5,Qf=90,000GHz,τf=-55ppm/℃


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