MgO-TiO2系陶瓷的相结构与微波介电性能研究

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5G通信技术的引入促进了包括微波通信设备在内的各个行业的发展。微波介质陶瓷作为制备5G通讯设备重要元器件的材料而在5G时代扮演着重要的角色。电子元器件需要在全世界各种温度环境下进行工作,并且工作运行所产生的热量导致工作温度变化范围大,所以温度稳定性良好是微波介质陶瓷广泛应用的关键。现阶段研究学者对于宽温度范围的微波介质陶瓷稳定性研究甚少,零下温度更是鲜有报道。本实验采用传统固相合成法工艺,围绕MgO-TiO2系微波介质陶瓷的相结构和性能优化,进行了系统的研究。1、粉料预烧温度低于合成温度或者高于最低合成温度都会对MgTiO3-Mg2TiO4-CaTiO3(MMC)陶瓷的烧结、显微结构及微波介电性能产生负面影响,MgTiO3、Mg2TiO4、CaTiO3的较佳预烧温度分别为1150℃、1250℃、1100℃。预烧温度低于最低合成温度将无法合成预期目标物相,高于最低合成温度则会降低粉料活性,进而影响烧结显微结构、致密烧结;粉料粒度太小、过大同样会对MMC陶瓷的烧结及微波介电性能产生负面影响,颗粒太小导致烧结晶粒小,致密性差,过大会导致晶粒异常长大,伴随晶体缺陷,进而恶化介电性能。粉料的较佳粒度为体积分数D50径1.88μm,D90径5.41μm。烧结温度及保温时间对MMC陶瓷的微波介电性能影响大,较佳的烧结条件为1350℃保温6h。烧结温度低于1350℃或保温时间小于6h,MMC陶瓷致密性较差,晶粒较小,烧结温度高于1350℃,MMC陶瓷会产生大量氧空位缺陷,均会导致MMC陶瓷的微波介电性能较差。2、在研究的组分变化范围内,Mg2TiO4能够提高MMC陶瓷的致密性,并且MMC陶瓷的拉曼振动主要由MgTiO3贡献,Mg2TiO4的增加能够有效地减小MMC陶瓷[TiO6]振动的半高宽(FWHM),进而提高MMC陶瓷的Q×f值,降低损耗。Mg2TiO4、MgTiO3和CaTiO3在改善MMC陶瓷的微波介电性能方面具有协同效应:Mg2TiO4的增加可以有效提高MMC陶瓷的Q×f值,但降低了εr值;MgTiO3的增加可以提高MMC陶瓷的εr值;CaTiO3的增加可快速提高MMC陶瓷的εr值,但Q×f值会急剧降低。Mg2TiO4、MgTiO3与CaTiO3在MMC陶瓷谐振频率温度系数τf值的调控方面有互补的作用,Mg2TiO4和MgTiO3在高温段和低温段具有小的负τf值,而CaTiO3则具有较大的正τf值,物相组成尤其是CaTiO3含量对MMC陶的τf值影响大,改变物相组成,能够有效调控MMC在宽温度范围(-40℃~120℃)内的τf值。0.32Mg2TiO4-0.611MgTiO3-0.069CaTiO3陶瓷具有较佳的综合微波介电性能,εr=19.7,Q×f=55400GHz,τf=-0.34ppm/℃(-40℃~120℃)。3、在MgTiO3-Mg2TiO4-Na0.5La0.5TiO3(MMNL)陶瓷的较佳烧结条件为1440℃烧结6h,烧结温度过低导致MMNL陶瓷孔隙率大,烧结致密性差,烧结温度过高导致晶粒异常长大,伴随晶体缺陷的增加,从而影响MMNL陶瓷的微波介电性能。0.21MgTiO3-0.653Mg2TiO4-0.137Na0.5La0.5TiO3陶瓷具有较佳的综合微波介电性能,εr=17.5,Q×f=62800GHz,τf=-0.35ppm/℃(-40℃~120℃)。Na0.5La0.5TiO3和CaTiO3均为钙钛矿型晶体,具有较大的正τf值,是高效的τf值调节剂,与MgTiO3-Mg2TiO4-CaTiO3(MMC)陶瓷相比,MgTiO3-Mg2TiO4-Na0.5La0.5TiO3(MMNL)陶瓷拥有更低的损耗、较高的Q×f值,但εr值相对较小。
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