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TiO_2基微波陶瓷的制备及性能研究

屈超  
【摘要】:微波通信行业整机产品朝便携化、小型化的趋势发展,对微波元器件小型化有了更高的需求。器件的小型化需要高介电常数的微波陶瓷。在高介电常数的微波陶瓷中,TiO_2由于来源广、价格便宜而得到了广泛研究。TiO_2虽然介电常数比较高,但是TiO_2在空气中烧结时,会存在Ti还原的问题,使得其微波介电性能急剧恶化。本文选取TiO_2微波陶瓷材料作为研究对象,通过单一离子掺杂(MoO_3、SnO_2)和复合离子掺杂(Cr_2O_3+Nb_2O_5、MnO+WO_3)来改善其微波介电性能。(1)在单一离子掺杂中,采取MoO_3和SnO_2掺杂,研究这两种离子掺杂对陶瓷晶体结构、微观形貌和微波介电性能的影响。MoO_3由于掺杂量比较少,并没有第二相的产生。但是MoO_3的熔点较低,适量的MoO_3掺杂可以促进烧结过程,提升陶瓷的品质因数。SnO_2跟TiO_2完全固溶,且Sn~(4+)可以抑制Ti~(4+)被还原成Ti~(3+),但是过量的SnO_2掺杂会导致陶瓷内部形成大量气孔,反而恶化其性能。ε_r主要受到离子极化率、密度等因素的影响。MoO_3和SnO_2掺杂都会使得τ_f减小。当x=0.005且烧结温度为1425℃时,TiO_2-x MoO_3取得较好的微波介电性能:ε_r=107.8,Q×f=19,452 GHz,τ_f=508.8 ppm/℃。当x=0.16且烧结温度为1375℃时,(1-x)TiO_2-x SnO_2取得较好的微波介电性能:ε_r=88.4,Q×f=20,777 GHz,τ_f=430.2 ppm/℃。(2)在复合离子掺杂中,研究Cr_2O_3和Nb_2O_5共掺杂以及MnO和WO_3共掺杂对陶瓷微波介电性能的影响。Cr_2O_3和Nb_2O_5在烧结过程中会形成Nb CrO_4,Nb CrO_4为金红石TiO_2结构,会与TiO_2形成固溶体。同SnO_2掺杂类似,Cr_2O_3和Nb_2O_5共掺杂会细化陶瓷晶粒。陶瓷的Q×f受到气孔、Ti还原等因素的影响。介电常数与密度、离子极化率等因素有关,τ_f跟介电常数变化一致。当x=0.06且烧结温度为1300℃时,(1-x)TiO_2-0.25x Cr_2O_3-0.25x Nb_2O_5取得较好的微波介电性能:ε_r=103.4,Q×f=19,147 GHz,τ_f=459.4 ppm/℃。MnO和WO_3共掺杂由于掺杂量比较少,在XRD中检测不出第二相的峰,但是在SEM图中发现了第二相。EDS的结果表明WO_3在TiO_2中只能少部分固溶。第二相的出现会恶化陶瓷性能。最终,当x=0.005且烧结温度在1425℃时,(1-x)TiO_2-0.5x MnO-0.5x WO_3获得较好的微波介电性能:ε_r=104.0,Q×f=39,000 GHz,τ_f=464.4 ppm/℃。


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