La2Zr3(MoO4)9基微波介质陶瓷的制备与性能研究

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微波介质陶瓷因其在通讯、雷达和探测等领域的广泛应用而被科研人员关注。本文采用传统固相法制备了低温烧结La2Zr3(MoO49基微波介质陶瓷。为了改善该陶瓷的介电性能,本文通过Ti4+离子掺杂制备了La2(Zr1-xTix)3(MoO49(x=0.00-0.10)微波介质陶瓷,并对其进行烧结特性、表观形貌、物相组成和介电性能的表征分析。本文通过计算陶瓷基体的极化率、陶瓷的堆积密度、化学键的键价参数和化学键参数等探究了掺杂改善陶瓷介电性能的作用机制,并利用远红外测试手段对陶瓷的晶格振动模式进行分析以探究陶瓷的本征损耗机制。本文的主要研究结果如下:首先,在550℃-800℃烧结温度下制备了La2Zr3(MoO49微波介质陶瓷,并对陶瓷进行表观密度和表观形貌分析,结果表明该陶瓷在650℃的低温下可以烧结致密并且具有最佳的微波介电性能:εr=10.8,Q·f=61,790 GHz,τf=-29.1 ppm/℃。物相分析结果表明陶瓷属于空间群为R-3c的三方晶系,晶胞参数为a=b=9.8481?,c=59.1385?,α=β=90°,γ=120°,V=4967.0830?3。将XRD衍射分析结果进行Rietveld精修并结合复杂晶体的化学键理论解析各化学键参数对陶瓷介电性能的影响。分析结果表明陶瓷晶体中的La-O键因具有较大的离子性对陶瓷的介电常数起主导作用;Mo-O键的晶格能和键能较大且平均热膨胀系数最接近于零,说明Mo-O键对陶瓷晶体的稳定性起主导作用。其次,为了改善陶瓷的介电性能制备了La2(Zr1-xTix)3(MoO49(x=0.00-0.10)陶瓷,不同掺杂量的陶瓷在650℃-750℃的温度范围烧结致密。随着Ti4+离子掺杂量的增加陶瓷的介电常数稍有下降、品质因数和谐振频率温度系数得到改善,该陶瓷在掺量点为x=0.08,烧结温度为750℃时可以获得最佳微波介电性能:εr=10.3,Q·f=80,700 GHz,τf=3.5 ppm/℃。本文对影响陶瓷介电性能的本征因素进行分析可知:陶瓷的理论极化率αtheo.降低以及La-O键的离子性fi(La-O)的降低是陶瓷介电常数降低的主要原因;陶瓷晶体堆积密度的增加和Mo-O键的晶格能的增加是陶瓷品质因数增大的主要原因;Mo-O键的键能的增加和化学键键价VZr(Ti)-O的降低使陶瓷的谐振频率温度系数随着Ti4+离子的增加有了很大幅度的改善。远红外拟合外推获得的介电常数和介电损耗与实测结果是相互吻合的,表明La2(Zr0.92Ti0.08)3(MoO49微波介质陶瓷的主要极化贡献是结构声子振荡在红外区的吸收。
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