SrR2Al2O7 (R=La,Sm)基微波介质陶瓷的结构与性能

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Ruddlesden-Popper层状钙钛矿结构化合物由于具有优异的物理、化学性能而引起了研究者们的关注,A2[An-1BnO3n+1]是该类化合物的化学通式。近年来,对该类层状钙钛矿结构材料的研究已扩展到微波介质材料领域。本、文对该类层状结构系列化合物中n=2的Sr(La1-xSmx)2Al2O7陶瓷的合成制备、结构与微波介电性能进行了研究,讨论了其微波介电性能随成分、结构的变化规律;根据SrO-La2O3-Al2O3赝三元系探索了单相 SrLa2Al2O7陶瓷的反应途径及其微波介电性能。  本研究主要内容包括:⑴采用标准固相反应法制备了具有R-P层状钙钛矿结构的 Sr(La1-xSmx)2Al2O7固溶体陶瓷,其空间群为I4/mmm,在1575℃烧结3 h得到的固溶体陶瓷相对致密度均达到了96%T.D.(Theoretical Density)以上,其中x=0.5组分的陶瓷相对致密度达到了99%T.D.。XRD分析表明,当x≤0.5时,存在Al2O3第二相;而x≥0.75时,存在SrSmAl3O7和SmAlO3第二相。SEM分析表明,当x≤0.5时,陶瓷晶粒具有板条状和针状形貌;而x≥0.75时,陶瓷晶粒具有短棒状形貌,可见气孔较少。⑵Rietveld结构精修分析表明,在 R-P结构中 Sr2+/La3+/Sm3+离子占据在两种不同的A位上,且存在不同的占位分布。随着半径较小的Sm3+离子含量增多, A1位置(位于双钙钛矿层(P2))中Sr2+的比例增加,而La3+和Sm3+更趋于占据A2位置(位于盐岩层(RS))。上述的占位变化引起盐岩层(RS)的层间极化电荷随之增加。受层间极化电荷的影响,Sr(La1-xSmx)2Al2O7结构的内应力增加,进而造成Sr(La1-xSmx)2Al2O7结构中绝大部分键长和键角畸变程度的增加,使得材料的介电损耗增加。⑶利用透射电子显微镜(TEM)可以清晰地观察到结构中的堆垛缺陷及其分布情况。对比0.5及0.75组分的固溶体陶瓷,其堆垛缺陷的减少与Qf值的改善相一致。提高致密度以及减少结构中的堆垛缺陷可以很大程度上改善固溶体陶瓷的Qf值。综合以上因素影响,随着Sm3+离子含量的增加,材料的相对介电常数由18.8增加到21.3,谐振频率温度系数由-21.7 ppm/oC调节到4.8 ppm/oC,Qf值总体上先增加后降低,最佳的微波介电性能在x=0.5组分处获得:εr=21.0,Qf=115,900 GHz,ιf=-3.7ppm/℃。⑷根据SrO-La2O3-Al2O3赝三元体系的反应动力学,设计了两步反应法来合成单相 SrLa2Al2O7陶瓷。部分途径的两步反应法可以制备得到 SrLa2Al2O7陶瓷。但在实际的反应过程中,LaAlO3和SrLaAlO4化合物更易合成且最终通过二者的反应得到SrLa2Al2O7化合物。研究表明两步反应法更难得到单相的化合物,第二相较多,烧结得到致密陶瓷的条件更为苛刻,且其性能较直接利用原料按化学计量比合成的陶瓷差。因此,制备得到SrLa2Al2O7陶瓷的最好方式为利用SrCO3、La2O3和Al2O3原料直接按化学计量比合成制备。
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