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聚合物前驱体法合成CaTiO_3基微波介质陶瓷的研究

黄国华  
【摘要】:新的通信系统如多媒体移动通信系统、超高速无线局域网、智能交通系统的迅猛发展,对微波介质陶瓷的性能提出了更高的要求,迫切要求采取新的材料研究方式。作为一种新的材料制备思路,软化学法近年来日益受到重视。但关于CaTiO3基微波介质陶瓷的软化学法研究的报道甚少,尚未见用聚合物前驱体法合成CaTiO3基微波介质陶瓷的报道。 本文以国家高技术研究发展计划项目“新型微波介质陶瓷材料与元件的研制(项目编号:2001AA-ZB3201)”和教育部科学技术研究重大项目“高εr微波介质陶瓷材料及器件的研制(合同号:重大0206)”为依托,在材料设计的指导下,以探索微波介质陶瓷的三大参数εr 、Qf 和τf 之间的内在联系以及研制高性能的CaTiO3基微波介质陶瓷为目标,采用XRD、DTA、TG、SEM、TEM和FTIR等分析测试技术,从材料组成和制备技术等方面对CaTiO3基微波介质陶瓷的性能进行“剪裁”协调,尤其是对用聚合物前驱体法合成CaTiO3基微波介质陶瓷进行了研究。主要内容有: 用固相反应法制备了CaTiO3微波陶瓷。在1300℃烧结3 h,εr = 170,Qf = 4800 GHz,τf = +810 ppm/℃。选用τf为负同时具有较高εr的微波介质材料如Li1/2Ln1/2TiO3与之复合是研制温度稳定的CaTiO3基高εr微波介质陶瓷的有效途径。而选用介电损耗低同时τf为负的材料如稀土铝酸盐LnAlO3与之复合则是获得CaTiO3基低损耗微波介质陶瓷的重要途径之一。 研究了Ln3+取代对CaTiO3微波介电性能的影响以及材料的τf值与容差因子t的关系。对于Ca1-xLa2x/3TiO3 ( x = 0.1,0.4,0.5)材料,当x = 0.4时,在1350℃烧结4 h可制备出εr = 118,Qf = 10360 GHz,τf = +295 ppm/℃的微波陶瓷;对于Ca1-xNd2x/3TiO3材料,当x = 0.39时,在1350℃烧结4 h可制备出εr达109,Qf超过8500 GHz的微波陶瓷。Ca1-xLa2x/3TiO3陶瓷的τf值随着x的增大而下降。这可以用容差因子t的变化来分析。随着t的减小,钙钛矿结构的钛-氧八面体发生倾斜,从而τε上升,τf下降。而t随着x的增加而减小,所以τf值随着x的增加而减小。 用固相反应法研究了(1–y)Ca1-xLn2x/3TiO3–yLi1/2Nd1/2TiO3( Ln = La, Nd, Sm)复合系列的微波介电性能。当Ln = Sm,y = 0.3,预烧温度为1050℃,在1300℃烧结3 h制备的微波陶瓷,εr = 92, Qf = 5060 GHz,τf = 7.5 ppm/℃。与Ln = La,Nd的材 WP=4 料系列比较,此系列材料的综合微波性能最好。 研究了三种用聚合物前驱体法合成CaTiO3基微波介质陶瓷的方法:乙二胺四乙酸(EDTA) /乙二醇(EG)的组合应用;柠檬酸(CA)/乙二醇(EG)的组合应用;仅用EDTA作络合剂,不使用EG。 采用EDTA / EG的组合应用,分别进行了稀土铝酸盐LnAlO3以及(1–y)CaTiO3–yNdAlO3(CTNA)(y = 0.3)CaTiO3基低损耗微波介质陶瓷粉体的合成。以LaAlO3为典型材料,在空气中于750℃下预烧2 h成功合成了单相的具有钙钛矿结构的LaAlO3,而且LaAlO3直接从无定形的前驱体中结晶形成,没有中间相的形成。粉体粒径约为10 nm。这一方法合成温度低,简单易行,可望推广到其它稀土铝酸盐的合成。在900℃下预烧3 h后,具有钙钛矿结构的CTNA相形成了,没有其它的晶相。与用固相反应法制备CTNA的预合成温度相比,这一合成温度降低了至少400℃,显示出聚合物前驱体法在合成CaTiO3基低损耗微波介质陶瓷粉体中的优势。 以CA / EG 组合,采用柠檬酸凝胶法研制了(1–y)Ca1-xLa2x/3TiO3–y Li1/2Nd1/2TiO3(CLLNT)(x = 0.4,y = 0.5)和(1–y) Ca2/5Sm2/5TiO3–y Li1/2Nd1/2TiO3(CSLNT)(y = 0.3)CaTiO3基高εr微波介质陶瓷。与固相反应法相比,CLLNT(x = 0.4,y = 0.5)材料的εr、Qf值都有所提高。对于CSLNT(y = 0.3)陶瓷,前驱体在1050℃下预烧3 h后,只有钙钛矿结构的CSLNT相。在1250℃烧结3 h,εr = 97, Qf = 6120 GHz,τf = 8 ppm/℃。与文献及本文中用固相反应法获得的结果比较,烧结温度降低,而Qf值有较大的提高。 以EDTA作络合剂,但不使用EG的方法研制出高性能的CSLNT (y = 0.3)CaTiO3基高εr微波陶瓷。在1000℃下预烧3 h后,只有钙钛矿结构的CSLNT相,粉体的粒径约为150–200 nm。在1200℃烧结3 h,εr = 99, Qf = 6200 GHz,τf = 9 ppm/℃。与本文及文献中用固相反应法获得的结果比较,用这一方法能在比固相反应法低的温度下制备出性能更好的微波介质陶瓷。


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