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Ba(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_3微波介质陶瓷介电性能的研究

石锋  
【摘要】: 近年来,具有复合钙钛矿结构的陶瓷化合物 (A=Ba,Sr; =Mg,Zn,Co,Ni,Mn; =Nb和Ta)得到了较为广泛的关注。以这种陶瓷化合物为基础的介质材料能较好的符合介电常数大、品质因数Q高及谐振频率温度系数 低的要求,可作为滤波器、谐振器上的介质材料应用在微波范围。目前国内外研究较多的是 系列化合物,但由于Ta2O5比较昂贵、要求纯度较高且系统烧结温度太高(1500℃-1600℃),而限制了它的大规模推广应用;而Nb2O5则是一种价格低廉来源广泛的化合物,利用它代替Ta2O5在适当的条件下也可制得性能较好的介质陶瓷材料。Ba(Zn1/3Nb2/3)O3(BZN)是一种很有发展潜力的微波介质材料。本文拟对该系统进行较为广泛的研究,通过不同的方法调整容量常数温度系数 并使之具有较高的Q值,以便在实际中得以应用。进一步研究了不同的掺杂改性以及化学配比变化对陶瓷材料的性能和结构的影响。本研究分别采用三种不同的取代方法来调节系统的性能,并研究B位原子Zn2+、Nb5+偏离化学计量比情况时有序结构的变化。下面分别叙述如下: 1.Ba(Zn1/3Nb2/3)O3的A位Sr2+取代固溶: 由于Ba(Zn1/3Nb2/3)O3和Sr(Zn1/3Nb2/3)O3均为复合钙钛矿结构,且二者温度系数相反,故将二者固溶,当系统中Sr(Zn1/3Nb2/3)O3含量达到一定值时,即可以调整温度系数 到可以应用的范围。研究表明:系统介电常数和 出现的异常现象是由于相转变造成的。加入添加剂来降低系统的烧结温度,取得了良好的效果。 2.Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷的B位四价Sn4+、Zr4+离子取代固溶: BaSnO3为立方钙钛矿结构,且温度系数 具有较大的正值(约为+190×10-6/℃),向BZN中添加适量的BaSnO3会调整温度系数 向0的方向发展。同时,Sn4+、Zr4+离子的引入,会增大钙钛矿晶胞中B位阳离子的平均半径,这使得氧八面体阴阳离子间的空隙减小,因而降低了晶格的非简谐相互作用,造成衰减因子 的减小,并从而降低了损耗tanδ。 3. Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷的B位二价Ni2+离子取代固溶: Ba(Ni1/3Nb2/3)O3 (BNN)与Ba(Zn1/3Nb2/3)O3均属立方钙钙钛矿,且BNN具有负的 ( =-18×10-6/℃),根据对数混合定律,引入适量的BNN可以调整BZN的温度系数。系统在较低温度(1350℃)下烧结时以及在1300℃退火12h处理会形成微弱的有序相,且退火处理后有序相增多。这种趋势说明了Ni2+和Nb5+离子的相互扩散会随着热能和时间的增长而增长。在较高温度下烧结(1550℃)则会形成富Nb液相区。富Nb液相区的形成伴随着缺陷的集中,因为晶格常数的增大意味着缺陷的增多。缺陷的增多使得Ni2+和Nb5+的相互扩散更方便,更容 WP=3 易进行,从而形成无序相。 4. Ba(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷 B位离子Zn2+、Nb5+偏离化学计量比情况时有序结构的变化?: 由于有序结构对于B位原子的化学计量比非常敏感,调整B位离子的摩尔数,使之分别形成富Zn(BZNZ)和富Nb (BZNN)的化合物,研究其结构的变化。损耗值对B位离子之间的比值很敏感:Zn2+/Nb5+比为1:2时损耗最小,偏离1:2越大,损耗的降低也越大。系统在富Zn时,B位Zn/Nb离子之间的整体比例向1:1的方向发展,有序结构也因此向着1:1的方向发展;富Nb时,B位Zn/Nb离子之间的整体比例向1:2的方向发展,有序结构也因此向着1:2的方向发展。 5.Ba(Zn1/3Nb2/3)O3的A位K+取代固溶: 研究A位K+对于烧结特性的影响:A位K+的引入有效改善了系统的烧结特性,降低了烧结温度,这是由于系统中产生了氧空位造成的,空位的生成增加了系统中的缺陷,从而降低了系统的烧结温度。


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