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镧系元素对氧化钡—氧化镧—二氧化钛微波陶瓷的改性研究

余晓华  
【摘要】: 论文概述了微波介质陶瓷体系尤其是BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系的研究现状。BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系的有效电场分析表明高介电常数的根源在于电子-离子位移极化耦合,A位阳离子对介电常数的影响并不大; BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系本征损耗分析结果则表明阳离子的有序分布和八面体倾斜角的增大有利于损耗的降低以及热稳定性的增强。鉴于以上两点,镧系元素对BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系的改性研究主要集中在镧系离子对晶体结构和介电性能的影响。论文最后对BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系的改性实例和特例进行了实验研究,以验证前述的规律总结。 BaO-Ln_2O_3-TiO_2(Ln = La, Pr, Nd, Sm, Gd)微波介质陶瓷的主晶相Ba_(6-3x)Ln_(8+2x)Ti_(18)O_(54)固溶体属于有限置换型固溶体。XRD物相分析和晶胞参数计算结果表明各体系的固溶限分别为:Ln=La时0 .1≤x≤0.8;Ln=Pr时0 .1≤x≤0.8;Ln=Nd时0 .2≤x≤0.7;Ln=Sm时0 .3≤x≤0.7;Ln=Gd时x=0.5。随着镧系离子半径的增大,体系的固溶限逐渐减小,直至唯一取值。 在BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系中,当稀土元素含量一定时,随着Ln3+离子半径的增大,晶胞在垂直于C轴的ab平面上扩张,晶胞参数主要表现为a和b的增大,c的增幅较小;当稀土元素种类确定时,随着Ln3+含量的增加,Ba_(6-3x)Ln_(8+2x)Ti_(18)O_(54)固溶体的晶胞参数逐渐减小,晶胞体积出现收缩。此外Ba_(6-3x)Ln_(8+2x)Ti_(18)O_(54)固溶体中稀土阳离子半径的减小会增大钛氧八面体的倾斜角,从而导致晶胞体积的减小。 稀土元素的离子半径、离子含量、电负性、极化率等因素对BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系的微波介电性能也会产生影响。类钙钛矿钨青铜结构使所有的BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系具有较高的介电常数,不同的稀土元素则使介电常数在一定的范围内变化。原料配方为Ba_(6-3x)Ln_(8+2x)Ti_(18)O_(54)的BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系中,随着镧系元素离子半径、极化率和电负性的增大,介电常数逐渐增大。当x=2/3时,BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系均具有最高的品质因数,Ln3+离子半径和电负性越小,品质因数的极值就越大。此外体系的内应力越小,品质因数也越大。在BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系中,随着Ln3+离子含量的增加,离子半径的减小,体系结构容忍因子的减小,体系的谐振频率温度系数就更加趋近于零。 BaO-Sm2O3-Nd2O3-TiO2复合体系和Bi2O3掺杂改性的BaO-Nd2O3-TiO2体系的晶胞参数变化规律及介电性能变化趋势满足前述规律的变化,验证了镧系元素的存在对BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系的改性规律。BaO-CeO2-TiO2体系中由于Ce离子半径偏小及价态不稳定的原因最终无法形成类钙钛矿钨青铜结构的主晶相,成为体系的一个特例,烧结特性和物相组成均与其它体系不同,介电常数和品质因数也较其它BaO-Ln_2O_3-TiO_2体系低。


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