(Zr0.8Sn0.2)TiO4微波介质陶瓷的掺杂改性研究

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(Zr0.8Sn0.2)TiO4(简称ZST)系陶瓷由于其接近于零的谐振频率温度系数、适中的高频介电常数和较高的品质因数而被广泛关注和应用,成为滤波器、谐振器和振荡器等微波器件材料的最佳选择之一。但由于ZST陶瓷的烧结温度高达1600 ℃,使其不能很好地与内置电极层在低于金属导体的熔点温度下共烧兼容。鉴于此,在降低ZST陶瓷烧结温度的基础上,改善其微波介电性能成为研究热点。本文采用传统氧化物固相烧结法制备了 ZST陶瓷,通过掺杂ZnO有效降低了 ZST陶瓷的烧结温度。利用XRD、SEM等测试手段研究了 ZnO掺杂对陶瓷烧结特性、相结构、微观形貌及介电性能的影响。结果表明:当ZnO的掺杂量为2 wt%,烧结温度为1350℃时,获得致密的陶瓷体,主晶相为具有α-Pb02型结构的(Zr0.8Sn0.2)TiO4相,介电常数ε=40.8,介电损耗tanδ=8.87×10-5,品质因数Q×f=8402.9GHz(4.721 GHz)。在此基础上,为了改善陶瓷的性能,对ZST陶瓷进行了 CuO/ZnO(ZB)、La2O3/ZnO(ZL)、Bi2O3/ZnO(ZB)二元复合掺杂,在1250℃下保温2h均获得了ZST陶瓷致密烧结体,进一步降低了 Z.ST陶瓷试样的烧结温度。通过XRD、SEM等测试手段研究了 ZC、Z.L、Z.B掺杂对陶瓷烧结特性、相结构、微观形貌及介电性能的影响。结果表明:当掺杂2 wt%Bi2O3+2 wt%ZnO时,在1250℃烧结温度,下,主晶相为具有а-PbO2型结构的(Zr0.8Sn0.2)TiO4相,陶瓷微波介电性能为:ε=43.8,tanδ(5=2.21×10-5,Q×f=14593.8 GHz(4.788 GHz)。为减少掺杂时因离子电价不平衡所引起的空位和缺陷,本文在掺杂ZnO降低ZST陶瓷烧结温度的基础上,选用Nb2O5/Cr2O3和Ga2O3/Sb2O5进行等摩尔掺杂改性。采用传统固相烧结法成功制备了 ZST陶瓷,测试了试样的介电性能,并结合其相结构、烧结特性和微观形貌分析了掺杂改性机理。研究发现:当掺杂0.25 mol%Nb-205+0.25 mol%Cr2O3时,主晶相为具有а-Pb02型结构的(Zr0.8Sn0.2)TiO4相,烧结温度1350℃,陶瓷获得最佳微波介电,性能:ε=47.6,tanδ=1.34×10-5,Q ×f=23533.8 GHz(4.795 GHz)。
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