论文部分内容阅读
近年来,钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3(简称BST)材料由于其具有相对较高的介电常数可调性((静态介电常数εr(0)-电场下的介电常数εr(app)/静态介电常数εr(0)和较低的介电损耗等优点使其成为铁电移相器材料的最佳候选材料。但是目前对于直流偏压下BST材料介电常数可调性机理的研究不是十分透彻,而且BST材料本身存在着微波介电损耗较大,介电常数温度稳定性欠佳,介电可调性随着介电常数的降低而降低,以至介电常数和介电可调性难以同时满足移相器要求等缺陷,这些都限制了BST材料在移相器器件方面的实际应用。
本论文针对目前新型铁电移相器用BST材料研究中存在的问题,首先研究偏置电场下钙钛矿结构材料(Ba1-xSrxTiO3和BaZrxTi1-xO3)的介电常数随电场的变化规律,并在此基础上研究晶粒尺寸对介电常数可调性的影响,进而探讨钙钛矿结构铁电体的介电常数可调性机理;接着从应用的角度出发,研究BST材料的化学组成和介电性能的关系,确定最佳的Ba/Sr值,在此基础上制备BST/MgO基复相材料,并研究La3+和Zr4+的掺杂改性对复合材料介电性能的影响;最后首次采用非均相沉淀法制备BST/MgO基复合陶瓷,对材料的介电性能(介电常数,可调性和微波介电损耗)进行了研究,并且对材料的微观结构和宏观性能的规律进行了探索。
对于BST体系,顺电相下介电常数的可调性可由Devonshire的宏观相变理论来解释,在直流偏场作用下介电常数之所以会下降,是由于钛氧八面体Tj4+之间的非谐性相互作用引起的。Johnson公式εr(app)/εr(o)=1/[1+αεr(o)3E2]1/3和ε(E)=ε1=ε2E2+ε3E4公式均可定量地解释BST体系顺电相的介电常数可调性行为;铁电相的介电常数可调性除了Ti4+之间的非谐性相互作用影响之外,必须考虑铁电畴(包括宏畴,微畴)对介电常数的可调性的贡献;BST体系在居里温度附近的介电常数可调性最大,其原因是在居里温度附近,介电常数可调性的影响机制最多。对于弛豫铁电体BZT,由于材料在远高于Tmax的顺电相温度范围内存在极性微区,在电场的作用下极性微区的冻结与合并,引起介电常数下降,这是极性微区对介电常数可调性的额外贡献。晶粒尺寸对材料介电常数可调性的影响不大,大晶粒材料的介电常数可调性略大于小晶粒材料。
La3+对组份50wt%Bao.55Sr0.45TiO3/50wt%MgO的掺杂细化了复合陶瓷的晶粒,并且使材料的显微结构变得更加均匀。La3+的掺杂明显降低了复合陶瓷的微波介电损耗,掺杂浓度为2.0wt%时,材料在4.0GHz下的介电损耗只有0.0019。但是当继续提高掺杂浓度时,复合陶瓷的微波介电损耗又有所回升。这是因为微波频率下的介电损耗是由本征损耗和非本征损耗共同作用的结果,当La3+掺杂量增多时,由电荷缺陷引起的非本征损耗导致了介电损耗的增大;2r4+的掺杂提高了复合陶瓷的可调性,当掺杂浓度为1.0wt%时,材料在电场强度为2.5kV/mm下,可调性达到17%,与基体相比,提高了约50%。掺杂0.5wt%La3+和1.0wt%Zr4+时,材料的综合性能得到提高,基本满足了移相器材料的应用要求。
首次用非均相沉淀法合成了50wt%Ba0.55Sr0.45TiO3/50wt%MgO粉体,并对粉体进行了La3+和Zr4+掺杂改性。与传统的机械混合法相比,非均相沉淀法制备的复合陶瓷的晶粒尺寸略为减小,两相分布更加均匀,显微结构得以优化,并且具有较低的微波介电损耗和较高的可调性。