铌酸镁基微波介质陶瓷的制备及其性能的优化研究

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随着无线通讯技术朝着毫米波加速发展,急需研究出具有较低介电常数(εr≈20)、极高品质因素(Q×f≥80000GHz)和近零温度系数(|τf|≤10×10-6/℃)的微波介质陶瓷材料。铌铁矿结构的MgNb2O6是一种具有较低介电常数和较高品质因素的微波介质陶瓷材料,但其较大的负的温度频率系数和较高的烧结温度严重限制了其实际应用。因此,本文以MgNb2O6系微波介质陶瓷为研究对象,通过探究其最佳的制备工艺,并选择合适材料对其进行复合或掺杂改性研究,以获得具有合适介电常数、较高品质因素和近零温度频率系数的MgNb2O6基复合微波介质陶瓷材料。(1)探索了MgNb2O6陶瓷的制备工艺,通过探究预烧温度和烧结温度对陶瓷物相结构和微波介电性能的影响。研究结果表明,预烧温度为1200℃时能够合成具有较好晶体结构的MgNb2O6陶瓷,并在1300℃,烧结4 h后具有良好的微波介电性能:εr=21.06,Q×f=103000 GHz,τf=-70.1×10-6/℃。(2)为了调节MgNb2O6陶瓷的温度频率系数,在使用最好的合成工艺的基础上,采用固相法制备(1-x)MgNb2O6-xCaTiO3(x=0,0.02,0.04,0.08,0.12,0.16)微波介质陶瓷。研究CaTiO3的添加对MgNb2O6陶瓷的物相结构、烧结特性、微观形貌以及微波介电性能的影响。研究结果表明:MgNb2O6在高温时会与CaTiO3反应生成Ca Nb2O6和Ti2Nb10O29,Ti8O15、Mg5Nb4O15。CaTiO3的加入不仅降低了烧结温度,略微增加了复合材料的介电常数,但同时也调节了材料的温度系数,使MgNb2O6复合材料的温度系数趋近于零。在1250℃、保温4 h下0.84MgNb2O6-0.16CaTiO3表现出最佳的微波介电性能:εr=21.60,Q×f=86601 GHz,τf=-7.3×10-6/℃。(3)为了进一步提高0.84MgNb2O6-0.16CaTiO3陶瓷的品质因素,采用固相法制备了0.84MgNb2-x(Ti1/2W1/2)xO6-0.16CaTiO3(x=0,0.03,0.05,0.07,0.09,0.11)微波介质陶瓷,研究了不同掺杂量的(Ti1/2W1/2)5+对0.84MgNb2O6-0.16CaTiO3陶瓷的物相结构、烧结特性、微观形貌以及微波介电性能的影响。研究结果表明:(Ti1/2W1/2)5+在高温时进入0.84MgNb2O6-0.16CaTiO3晶格中,未产生其它新增杂相。随着(Ti1/2W1/2)5+的添加量的逐渐增加,0.84MgNb2-x(Ti1/2W1/2)xO6-0.16CaTiO3(x=0,0.03,0.05,0.07,0.09,0.11)陶瓷的体积密度增加,烧结温度无明显变化,陶瓷的晶胞体积减小,同时降低材料的极化率,填充率,使陶瓷的介电常数下降,品质因数增加,温度系数向正值移动。当x=0.05、烧结温度1250℃、保温4 h下,0.84MgNb1.95(Ti1/2W1/2)0.05O6-0.16CaTiO3陶瓷的介电性能为:εr=21.52,Q×f=96983 GHz,τf=-3.8×10-6/℃。(4)为了降低0.84MgNb1.95(Ti1/2W1/2)0.05O6-0.16CaTiO3陶瓷的烧结温度。采用固相法制备了0.84MgNb1.95(Ti1/2W1/2)0.05O6-0.16CaTiO3-xwt%LiF-V2O5-Fe2O3(x=0,0.5,1,1.5,2,2.5)微波介质陶瓷,研究了不同掺杂量的LiF-V2O5-Fe2O3对0.84MgNb1.95(Ti1/2W1/2)0.05O6-0.16CaTiO3陶瓷的物相结构、烧结特性、微观形貌以及微波介电性能的影响。研究结果表明:LiF-V2O5-Fe2O3在高温不与0.84MgNb1.95(Ti1/2W1/2)0.05O6-0.16CaTiO3发生化学反应且不析出晶相,最后以玻璃态存在于陶瓷基体中。在542.1℃时LiF-V2O5-Fe2O3会反应生成Fe2V4O13,并且Fe2V4O13在LiF的作用下在666℃熔化形成液相,促进基体了的烧结,使0.84MgNb1.95(Ti1/2W1/2)0.05O6-0.16CaTiO3-x wt%LiF-V2O5-Fe2O3(x=0,0.5,1,1.5,2,2.5)陶瓷的烧结温度下降。随着LiF-V2O5-Fe2O3添加量逐渐增加,0.84MgNb1.95(Ti1/2W1/2)0.05O6-0.16CaTiO3陶瓷的体积密度降低,基体的气孔率增加,陶瓷的介电常数、品质因数下降,温度系数向负值移动。当LiF-V2O5-Fe2O3的添加量x=2.5烧结温度1125℃保温4 h时,0.84MgNb1.95(Ti1/2W1/2)0.05O6-0.16CaTiO3-2.5wt%LiF-V2O5-Fe2O3陶瓷具有较好的介电性能:εr=20.15,Q×f=58478 GHz,τf=-9.6×10-6/℃。
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