论文部分内容阅读
随着近年来微波技术的广泛使用,中高介电常数、低损耗、近零谐振频率温度系数微波介质陶瓷材料的研究与制备成为人们研究的热点。BaO-Ln2O3-TiO2体系微波介质陶瓷因为具有较高的介电常数,品质因数,可调的谐振频率温度系数,在微波介质陶瓷领域得到了持续的关注。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、拉曼光谱和网络分析仪等仪器系统地研究了制备工艺（传统固相烧结法）、掺杂对微观结构和微波介电性能的影响,并讨论了Raman峰的位移、半高宽与微波介电性能之间的内在关系,从而制备出综合性能高的BaO-Ln2O3-TiO2体系微波介质陶瓷。首先通过热分析（DSC,DIL）分析了样品的物理化学变化,用XRD分析了不同预烧温度分时对应的物相变化,明确了BaO-Ln2O3-TiO2体系在升温过程中对应的物理化学变化,最终确定了预烧的最佳温度为1100℃;研究了样品的体积密度与烧结温度的关系,样品的微观形貌在不同烧结温度下的变化,最终确定了最佳烧结温度为1350℃。研究了A位离子Sr、Ca离子掺杂对BaO-Sm2O3-4TiO2陶瓷的物相、致密度、结构、显微形貌及介电性能的影响。研究表明,适量的Sr,Ca离子掺杂并不改变原物相。Sr离子掺入对致密度影响较小,使晶胞体积变小,介电常数略微降低,但可以显著改善品质因数Q×f值,并使谐振频率温度系数线性增加。当Sr掺入量为5 mol.%时,综合介电性能达到最佳,分别为:εr=76.3,Q?f=12450 GHz,τf=0.1 ppm/°C。由于Ca离子与Ba离子半径相差较大,随着Ca离子的掺入,内应力增大,其介电常数与致密度变化趋势一致,但品质因数Q×f值随着掺入量的增多显著恶化,谐振频率温度系数呈线性增加,其最佳掺入量为1.0 mol.%。研究了NdAlO3、SmAlO3、BaTi4O9掺入对BaO-Ln2O3-TiO2基体系陶瓷的物相、结构、形貌及介电性能的影响。LnAlO3（Ln=Nd,Sm）复合掺杂BaO-Nd2O3-5TiO2时,掺入LnAlO3对BNT5陶瓷的晶粒生长和致密度有很大影响,当LnAlO3含量超过10 wt%时,晶粒形貌从准方形变化到柱状。随着LnAlO3含量不断增加,介电常数和谐振频率温度系数τf逐渐下降。但是随着LnAlO3含量的增加,品质因数Q?f呈现非线性变化,当LnAlO3含量达到12.5 wt.%时,烧结温度1320℃,保温时间4 h时Q?f值最大,且此时微波介电性能最佳（εr=62.78,Q?f=11108 GHz,τf=-1.55 ppm/℃）。BaTi4O9复合掺杂BaO-Nd2O3-5TiO2时,也有类似变化,当BaTi4O9掺杂量为30 mol.%时,其综合微波介电性能最佳（εr=52.7,Q?f=12065 GHz,τf=-1.25 ppm/℃）。NdAlO3掺杂BaO-Sm2O3-5TiO2时,掺入NdAlO3含量逐渐增加时,出现了NdAlO3的第二相,钨青铜型的BaO-Sm2O3-5TiO2为主晶相的晶体结构受掺杂的影响,其晶格常数不断变化,晶胞体积不断缩小。其晶粒形状从准方形逐渐变化成柱状,其晶粒粒径不断变小,当添加剂NdAlO3含量高于10%更为明显,此时NdAlO3相晶粒弥散在整个陶瓷中,并不能合并成大的晶粒。εr和τf随着掺入NdAlO3含量的增加而逐渐减小,但是Q?f值并不是随着添加剂NdAlO3含量的增加线性变化。以BaO-Sm2O3-5TiO2为主晶相,NdAlO3为第二相的微波介质陶瓷中,当NdAlO3含量为7.5 wt.%其介电性能最佳（εr=73.22,Q?f=10300 GHz,τf=-1.05 ppm/℃）。结合群论研究了BaO-Ln2O3-TiO2陶瓷晶格振动模的振动模式,并详细研究了Sr、Ca离子掺杂对Raman谱图的影响。研究发现:BaO-Ln2O3-TiO2陶瓷的εr和Q×f值分别与其拉曼光谱中Ag和B1g模峰值和半峰宽有关。当掺杂的离子质量与被取代的离子电荷相同、半径相差不大时,其特征模的Raman位移向高波数方向移动时（即所谓的蓝移）,可以判断其晶体体积减小,介电常数减小;当其特征模的Raman半高宽增大时,其本征介电损耗增大;反之,当其特征模的Raman半高宽减小时,其本征介电损耗减小,品质因数增大。当掺杂的离子与被取代的离子电荷相同、半径相差比较大时,此时应结合声子频率与（q/m）1/2的相互关系判断其蓝移或红移的原因,综合判断其介电常数变化的原因;而对于其特征模的Raman半高宽增大时,其本征介电损耗增大;反之,当其特征模的Raman半高宽减小时,其本征介电损耗减小,品质因数增大。