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水热合成Ba-Ti基微波介质陶瓷的研究

徐建梅  
【摘要】:移动通讯的快速发展,对微波元器件的性能提出了越来越高的要求,因此作为主体材料微波介质陶瓷的性能也需要不断得到改善。传统的陶瓷制备方法—固相法,由于其自身的限制,迫使人们将注意力转移到新的制备方法—软化学法。水热法作为一种软化学制备方法应用到微波介质陶瓷的制备中,可得到性能比常规固相法优越的陶瓷材料。本论文用水热法合成Ba-Ti基微波介质陶瓷,在国内外尚未见报道。 本文除了在制备方法上的创新外,还对具有高介电常数的BaO—Ln2O3—TiO2陶瓷进行了A、B位替代和掺杂研究,探讨了材料的性能与成分、结构之间的内在联系。具体研究内容及基本结论如下: 探讨了水热法合成机理,并用水热法合成了单相Ba2Ti9O20陶瓷。研究了水热合成条件及几种不同的Ti前驱物对合成目标相的影响,认为只有采用TiCl4为前驱物,合成温度为360℃,保温8小时,才能得到结晶程度较高的Ba2Ti9O20相,并且没有其它的杂相。该粉体不经过预烧制得的陶瓷微波介电性能为:εr=39,Q·f=28000GHz。 为了得到Ba-Ti基高介电常数的微波介质陶瓷,分别用水热法和固相法制备了BaO—Ln2O3—TiO2(Ln=La,Nd,Sm)陶瓷。用固相法研究了不同x值时,Ba6-3xLn8+2xTi18O54(Ln=Nd,Sm)陶瓷的微波介电性能与成分的关系。发现不管Ln为Nd还是Sm,在成分点x=0.67 附近均存在品质因数极大值,此时Ba6-3xNd8+2xTi18O54陶瓷介电性能参数为:εr=82,Q·f=6250GHz,τf =36ppm/℃。Ba6-3xSm8+2xTi18O54陶瓷的介电性能参数为:εr=76,Q·f=7200 GHz,τf = -12 ppm/℃。 用水热法研究了合成BaO—Ln2O3—TiO2(Ln=La,Nd,Sm)陶瓷的工艺条件。在360℃保温12小时,能合成纯的目标相,而用传统的固相法合成,需在1250℃以上才能合成纯的目标相。因此用水热合成法极大地降低了目标相的合成温度。用水热合成的BaO—Ln2O3—TiO2(Ln=La,Nd,Sm)粉体制备陶瓷,其烧结温度比传统固相法要低100℃,陶瓷的介电常数稍大于用固相法制备的陶瓷,但品质因数却有极大的提高,谐振频率温度系数也有所改善。在x=0.67时,水热法制备的Ba6-3xNd8+2xTi18O54陶瓷Q· f=7350GHz;Ba6-3xSm8+2xTi18O54(x=0.67)陶瓷Q·f=8120GHz。 用水热法研究了A位稀土离子取代的Ba6-3xLn8+2xTi18O54陶瓷,其最佳烧结温度均在1250℃左右,比文献报道的用固相法制备陶瓷的烧结温度要低100~200℃。用La取代Ba4(Sm1-yLay)9+1/3Ti18O54陶瓷中的Sm,随着y值增大,晶胞参数也变大,同时陶瓷的介电常数和谐振频率温度系数均随La替代量的增大而增大,品质因数却随La WP=4 替代量的增大而减小。当y=0.1时,可得到τf =0ppm/℃的陶瓷材料,此时εr为79,Q·f为7600GHz。用Nd取代Ba4(Sm1-yNdy)9+1/3Ti18O54陶瓷中的Sm,当y=0.4时,可得到τf =0ppm/℃的陶瓷材料,此时εr为80,Q·f为7300GHz。 研究了A位非稀土元素取代对Ba6-3xNd8+2xTi18O54陶瓷结构及性能的影响。Sr取代(Ba1-ySry)6-3xNd8+2xTi18O54中的A位是一个较复杂的过程。x不同,y的取值范围也不同,同时Sr所取代的离子也不同。当x=0.5时,在0≤y≤0.11范围内,晶胞参数随y值增大而减小,在0.11≤y≤0.2范围内,晶胞参数随y值增大而增大,在 y=0.11处,晶胞参数最小。此时εr=82.8,Q·f =5830GHz,τf =20ppm/℃。当x=0.6时,在0≤y≤0.048范围内,晶胞参数随y值增大而减小,在0.048≤y≤0.2范围内,晶胞参数随y值增大而增大,在 y=0.048处,晶胞参数最小。此时陶瓷的介电常数和谐振频率温度系数最小,而品质因数最大,εr=82.3,Q·f =5842GHz,τf =37ppm/℃。而对于x=2/3的样品,晶胞参数在0≤y≤0.2范围内均随y值增大而增大。并且介电常数与谐振频率温度系数也均随掺杂量的增加而增大,品质因数随掺杂量的增加而减小。结果表明,Sr取代A位离子并不是简单的取代A位的Ba离子,还会取代离子半径比它小的Nd离子。 研究了B位取代对Ba6-3xNd8+2xTi18O54(x=2/3)陶瓷的结构及性能的影响。随着掺Al量的增加,晶胞参数a、c减小,而b增大,最终导致了晶胞体积的减小。在b轴方向的延伸可能是由于为了补偿电荷使Ba2+和Nd3+增加所至。随掺Al量的增加,介电常数线性地减小。其原因是由于Al取代Ti使钛氧八面体收缩导致的。另一方面,品质因数随着Al取代量的增加而下降,这可能是由于在单位晶胞中A位的空位数随Al的增加而减少,导致晶胞内部应力增加而增加了介质损耗。Al取代有意义的贡献是,材料的谐振频率温度系数随Al掺杂量的增大而减小,当Al取代量y为0时,τf =36ppm/℃,当y=1.8时,τf =16ppm/℃。研究了用离子半径比Ti大的Zr对Ba6-3xNd8+2xTi18O54(x=2/3)进行B位取代时陶瓷性能的变化。尽管晶胞参数变大,但并没有提高陶瓷的介电常数,说明晶胞参数的变化只是影响介电常数的一个方面。Zr取代Ti后,由于结构容限因子变小,而使得介电常数变小。 研究了Mn掺杂对Ba6-3xSm8+2xTi18O54陶瓷的烧结性及介电性能的影响。在基础成分预烧之后掺Mn,有助于陶瓷的烧结及致密化,并促进陶瓷中主晶相的形成。当掺Mn量为1.0wt%时,陶瓷的εr=84,Q·f =6280GHz,τf = -3.6 ppm/℃。 将不同的A位离子及Ln掺入量,都转化为A位平均空间大小rA来进行评价,揭示了影响介电常数的物理本质。rA越大,则介电常数越大。这一影响是通过引起钛氧八面体倾斜角度的变


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