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激光制备CaTiSiO_5基高频介质陶瓷的研究

田得雨  
【摘要】:高频介质陶瓷材料在现代功能陶瓷材料中占有非常重要的地位,具有广泛的用途。高频介质陶瓷材料在高频(1MHz)下的介质损耗低、介电常数温度系数范围宽,广泛用作陶瓷电容器的电介质。根据介电常数温度系数可分为两大类:一类是热补偿电容器介质陶瓷材料。热补偿电容器介质陶瓷具有较大的负介电常数温度系数,如CaTiO3、TiO2等。热补偿电容器主要用在振荡回路里,以补偿回路电感元件的正温度系数,使回路谐振频率保持不变或变化很小。另一类是热稳定电容器介质陶瓷材料,其介电常数温度系数的绝对值很小,如TiO2-CaTiSiO5、CaTiO3-CaTiSiO5、CaTiO3-Ca(M g1/3Nb2/3)O3、SrZrO3-SrTiO3、CaTiO3-CaZrO3等。使用此类电介质材料制作的高稳定电容器广泛应用于移动通讯、卫星通讯、精密仪器和军用雷达等领域。其中CaTiO3-CaTiSiO5介质陶瓷是一种优良的高频介电陶瓷,它由单斜型CaTiSiO5(εr≈40,tanδ≈5×10-4,αε≈+1200×10-6/℃)和正交型CaTiO3(εr≈150,tanδ≈2.5×10-4,αε=-1800×10-6/℃)两相组成,具有较为优良的介电性能:εr≈82,tanδ≈4×10-4,αε≈±25×10-6/℃,因而日益受到关注。Ti02和CaTiSiO5以适当的摩尔比(0.82:0.18)进行复合也能够获得具有介电性能的复合材料,即较高介电常数、较低的介质损耗和接近于零的介电常数温度系数。 随着现代通讯技术的迅猛发展,陶瓷电容器也向小型化、大容量方面发展,而介电常数大、介质损耗小的介质陶瓷是制造高性能陶瓷电容器的前提条件。那么,提高CaTiO3-CaTiSiO5、(CaTiSiO5)0.18(TiO2)0.82陶瓷的介电性能是拓宽CaTiO3-CaTiSiO5、(CaTiSiO5)0.18(TiO2)0.82介质陶瓷应用范围的迫切课题。近年来,激光烧结技术在制备新材料和提高材料性能方面,显示出独特的优势。本工作采用激光烧结技术制备CaTiO3-CaTiSiO5、(CaTiSiO5)0.18(TiO2)0.82介质陶瓷,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、精密阻抗分析仪、拉曼散射等对材料的晶格结构、化学组成、微观结构、介电性能等进行测试与分析。 根据样品的物理性能和微观结构确定了激光烧结CaTiO3-CaTiSiO5、(CaTiSiO5)0.18(TiO2)0.82介质陶瓷的最佳工艺分别为:激光功率1.2 kW,离焦量90mm,烧结时间140s;激光功率1.0 kW,离焦量140 mm,烧结时间240s。 CaTiO3-CaTiSiO5陶瓷样品的介电性能与高温炉烧结相比,介电常数由炉烧的82提高到376,介质损耗和温度系数基本不变。微观结构也发生显著变化,样品比较致密没有大量的气孔和微裂纹,晶粒较大,生长完整并且呈树枝状定向生长,晶粒之间相互连成一体形成树枝状结构群。激光烧结的(CaTiSiO5)0.18(TiO2)0.82介质陶瓷致密度、纯度很高,形成了逆激光光束方向呈板条状规则生长的微观结构,有利于其介电性能的提高。在功能陶瓷的制备技术中,与其它定向生长技术相比激光烧结技术具有操作简单、晶粒定向生长强、效率高、致密度和纯度高等优点。


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