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Li_2O-Nb_2O_5-TiO_2微波介质陶瓷及低温烧结研究

刘兴元  
【摘要】: 锂铌钛(Li_2O-Nb_2O_5-TiO_2)体系微波介质陶瓷体系具有频率温度系数小、介电常数高、品质因素(Q值)高等优良性能,但是很难满足微波通讯对微波介质材料多样化的需求;目前锂铌钛体系的研究多数在较高温度(不低于1100℃)进行,不能满足低温共烧的需要。为此,对该体系改性和低温烧结的研究是很有必要的。本文在回顾了微波介质陶瓷及器件的发展现状的基础上,结合作者在开发微波介质陶瓷器件方面的研究,对锂铌钛微波介质陶瓷体系进行粉体低温预烧、掺杂和引入烧结助剂等研究,实现锂铌钛体系的低温烧结,提高该体系的微波介电性能。 对900℃低温预烧的锂铌钛体系粉体的结构和性能研究表明,在Li/Nb摩尔比为3/2,900℃条件下,随着TiO_2含量的增大,体系形成含Ti的LiNbO_3固溶体、M-Phase及金红石结构TiO_2等物相;当TiO_2为34.1mol%~43.7mol%时,低温生成的Li_2YiO_3在900℃附近消失;当TiO_2大于43.7mol%时,形成少量Li_2TiO_3。随着TiO_2含量增大,M-Phase的晶格参数a增大,c减小,最终保持稳定的趋势,与1100℃高温预烧下的变化趋势相反。预烧温度控制在880~950℃以避免低温烧结时的相转变,有利于抑制中间相的生成。 在低温预烧的基础上,进行掺杂Bi_2O_3、ZnO对锂铌钛体系微波介电性能影响的研究表明,ZnO能与基相中的TiO_2反应生成Zn_2TiO_4;Bi_2O_3能与基相中的TiO_2反应生成Bi_4Ti_3O_(12),有利于促进烧结;在Bi_2O_3/ZnO=2/1(wt)左右出现低共熔点,使体系烧结温度降至970℃;少量Bi_2O_3不利于体系Qf值的提高,但能提高介电常数和频率温度系数,掺入ZnO使体系频率温度系数减小且变为负值,介电常数减小,Qf值减小。通过引入适当的添加剂,可以获得介电常数可调的,满足实际需要的微波介质陶瓷。 在低温预烧和掺杂研究的基础上,对以B_2O_3为烧结助剂的锂铌钛体系的低温烧结研究表明,添加少量(2.5wt%)B_2O_3可以使该体系的烧结温度降至850℃,使体系的频率温度系数升高,介电常数和品质因素(Qf值)稍有降低。辅以ZnO为温度系数调节剂,低温下ZnO与基相中TiO_2反应生成Zn_2TiO_4;随着ZnO含 浙江大学硕卜论文 量的增大,体系的频率温度系数减小且变为负值,介电常数也低于基相,不利于 提高Qf值,频率温度系数随着烧结温度提高而增加。复合添加zno和BZo3可 以实现陶瓷粉体的低温烧结,得到微波介电性能良好的微波介质陶瓷材料:ZnO、 BZO3用量分别为4wt%和0.swt%时,在900’C附近可以实现低温烧结,其体系 Tf=+0 .6 PPm/oC,Qf=3200GHz,£r=63。 最后,简单介绍了用铿妮钦体系以五氧化二钒(VZO:)为烧结助剂烧成的 微波介质陶瓷制成的微波器件。


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