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CaTiO_3基微波介质陶瓷的制备、结构与性能研究

刘涛  
【摘要】: 微波介质陶瓷(MWDC)作为一种新型信息功能陶瓷在微波通信领域有着广泛的应用,其中高介电常数的微波介质陶瓷由于易实现微波器件的小型化、集成化而备受关注。高介MWDC材料体系往往因太大的谐振频率温度系数而失去了应用价值。本文选取了具有钙钛矿结构的微波介质陶瓷形成二元复合体系,进行温度系数补偿,以期获得钙钛矿型固溶体,在保持高介电常数和低介电损耗的同时获得近零的谐振频率温度系数。 钙钛矿结构的CaTiO_3本身具有较高的ε和Qf值,而其τ_f为较大正值。本文以CaTiO_3为基体,以负τ_f高介的(Li_(1/2)Ln_(1/2))TiO_3(Ln=La、Nd、Sm)材料对其进行A位改性;以负τ_f高Q的Ca(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3材料对其进行B位改性。采用固相法制备了复合体系,采用XRD、SEM、微波介电测试等方法研究了材料烧结工艺、组分变化对复合体系相组成,微观结构和微波介电性能的影响,探讨了结构与性能之间的关系。 钙钛矿结构的CaTiO_3与(Li_(1/2)Ln_(1/2))TiO_3在一定的组分区间复合形成了钙钛矿结构的固溶体。对(1-x)CaTiO_3-x(Li_(1/2)Ln_(1/2))TiO_3体系,Ln=Nd、Sm时在组成范围(x=0.1~0.9)内无限固溶,而Ln=La时则只有在x≤0.5时才能形成固溶体。复合体系的微波介电性能实现了系列化可调,随着(Li_(1/2)Ln_(1/2))TiO_3取代量的增加,其介电常数和品质因数有所下降,而频率温度系数则由正变负:ε:80~140,Qf:2500~6000GHz,τ_f=+400ppm/℃~-200ppm/℃。在最佳烧结条件下,通过适当的复合比例获得了近零的谐振频率温度系数:Ln为La时,x=0.5,τ_f=-12.3ppm/℃;Ln为Nd时,x=0.6,τ_f=2.2ppm/℃;Ln为Sm时,x=0.7,τ_f=3.8ppm/℃。对CaTiO_3-(Li_(1/2)Sm_(1/2))TiO_3的改性结果表明:选取Ba~(2+)取代Ca~(2+),在保持品质因数和谐振频率温度系数基本无变化的前提下可以有效提高介电常数。 采用前驱体法制备了(1-x)CaTiO_3-xCa(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3(CMNT)陶瓷粉体,该法制备的陶瓷粉体物相纯、烧结温度低,有利于改善微波介电性能。CMNT在组成范围(x=0.2~0.8)内形成单一的四方相钙钛矿固溶体,复合体系的微波介质陶瓷介电性能随着x值不同而连续变化:当x从0.2上升到0.8,介电常数ε逐步减小,品质因数Qf值增加,谐振频率温度系数τ_f逐渐向负 方向移动。当x一0.6时,在1300℃下保温时间5小时得到的0.4C叮103- 0.6Ca(Mg,z3NbZ/3)03陶瓷具有较好的微波介电性能:。=49.54,Qf= ZsgooGHz,;f一22pp耐。e。采用La,+对ea[(Mg,/3NbZ/3)。石Ti。,4]03陶瓷进行 微量掺杂(掺杂量x=O一0.20),随着掺杂量的增大,。有所下降,Qf值由 28900GHz上升至3 1400 GHz,::由一22ppm/oC至一0.02pplnjoC,CMNT微波 介电性能获得了较大改善。 本论文选择具有负介的体系对CaTIO;进行温度调协,能成功实现对谐 振频率温度系数的调谐,在恰当的复合比例下可获得近零的:f,并保持了较 高的。和Qf值。氧八面体的倾斜和扭曲形变以及导致的内电场变化对微波 介电性能影响显著。


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