新型钛酸盐微波介质陶瓷的精细微结构调控与性能研究

发布时间：2020-05-14 08:36

【摘要】：微波介质陶瓷(MWDC)是电子和移动通讯等相关产业中重要的基础支撑材料之一,在无线通讯、卫星导航和制导,高清卫星电视以及无线互联局域网络(WLAN和无线WiFi)等许多和生活密切相关的领域都有着重要的应用和巨大的发展潜力。本学位论文通过钙钛矿结构材料中的A/B位离子置换、电子能带结构优化、有序畴和孪晶微结构调控、亚晶粒绝缘内界面层改性等途径对材料的微波介电性能展开了系统研究。探讨了分子极化率、原子堆积密度、离子价态、价键和键能等微观结构与宏观微波介电性能之间的内在联系,同时研究了其在低温共烧陶瓷(LTCC)方面的应用。本论文的主要工作和结论如下:首先采用CaO-B_2O_3玻璃(简称CB)辅助烧结制备Sr_x La_((1-x))Ti_xAl_((1-x))O_3系微波陶瓷(STLA,x=0.4-0.7),使其烧结温度由1550 ~oC下降到1100 ~oC。同时低频下的介电性能得到显著提高,室温下陶瓷体系中最低介电损耗值达到了6%s10~(-4)。实验结果证明陶瓷中的离子有序结构与A位离子反对称取代和BO_6八面体反相倾斜有关,这一有序结构进而导致了材料微波性能的改善。同时A/B位置换离子的半径差和电价差越大,越有利于A/B位离子有序度的增强。其次采用Zn-B_2O_3烧结助剂(简称ZB)将STO-LAO陶瓷的烧结温度由1550~oC降低到1050 ~oC,同时获得的低温烧结陶瓷具有优异的微波介电性能。新改性后的0.7Sr_(0.85)Mg_(0.15)TiO_3-0.3LaAlO_3+10 wt%ZB陶瓷其微波介电性能也十分优异,特别是其烧结温度更低,为950 ~oC。有趣的是,在0.7STO 0.3LAO+y wt%ZB低温烧结陶瓷中存在的有序结构来源于B位离子的化学有序性。随着ZB的添加,Zn~(2+)离子进入了晶格B-位位置,形成了1:2的新有序结构,从而提高了陶瓷的微波性能。实验结果表明离子尺寸、离子极化率以及晶胞尺寸都与材料的微波介电性能密切相关。低温烧结STO-LAO陶瓷和Ag/Cu电极都具有优良的共烧兼容性,同时材料的热性能测试表明二者的热膨胀系数相匹配,并且材料的传热性能优异,不会在实际使用过程中引入热应力裂纹而导致材料失效。此外,采用一种新的简易固相相变控制方法成功制备出高性能的纯相ZnTiO_3材料。在ZnTiO_3材料基体中引入弥散的纳米ZnO微区后,通过对Zn_2TiO_4第二相的形核和长大的抑制作用,消除了其初始形核区并成功阻止了Ti离子的体扩散和相界迁移,从而在相变温度以上首次获得了纯相ZnTiO_3。采用快速淬火的准原位测试手段,揭示出相变过程中存在两个主导因素,即Ti离子的体扩散和相界迁移,两者对第二相的形核、长大具有非常重要的作用。Rietveld结构精修表明ZnTiO_3相为六方钙钛矿结构R3点群,其晶胞单元为3层密堆结构。在不同层中,晶体滑移方向分别为002和110。而Zn_2TiO_4相则为立方反尖晶石结构Fd3m点群,其晶体滑移方向为111。Zn_2TiO_4第二相对成分具有很强的包容性,其晶格中Zn离子和Ti离子共同占据16d的Wyckoff晶体学位置,因此不同的Zn/Ti成分比可对应相同晶体结构。本实验在相变温度以上成功保持了单相ZnTiO_3结构,同时材料具有超低微波介电损耗,与Ag电极的低温共烧测试也表明其具有优异的LTCC特性。同时采用简单固相反应法制备出纯相xZn_(0.9)Mg_(0.1)TiO_3~1-xZnNb_2O_6(ZMT-ZN)陶瓷,其具有可随成分调节的出众的微波介电性能。在较宽的成分区间,陶瓷的性能温度稳定性十分优异。在1000-1100 ~o C温度下烧结陶瓷的微波性能可以与高温烧结Ba(Mg_(1/3)Ta_(2/3))O_3陶瓷相媲美。实验中发现纳米ZnO抑制剂在相变温度以上抑制了第二相的形核和长大,确保ZMT-ZN陶瓷的纯相组织,另外通过引入更加绝缘化的晶界和相界等内界面结构,有效的降低了材料中电子和氧空位等缺陷载流子的传导。因此,ZMT-ZN陶瓷具有高质量的均匀陶瓷组织和单相结构是其优异介电性能的深层原因。ZMT-ZN陶瓷的制备成本低、工艺简单等优点也使其有望应用于超低损耗微波通讯元器件。最后通过在CaTiO_3陶瓷基体中引入三方相晶格阻碍物—NdAlO_3相,显著增强了四方相CaTiO_3的晶体对称性,从而引起了陶瓷体系中(110)-取向孪晶结构向(111)-取向孪晶结构的转变,进而导致了一种新有序结构的出现。实验揭示出CaTiO_3基材料中的孪晶结构与其晶体对称性高度相关。拉曼光谱分峰拟合结果表明钙钛矿结构材料中A位离子周边环境对材料的晶格能量和性能具有决定性作用。简单的A位置换具有更大半径的阳离子,即可实现对材料对称性的调控。而通过A位置换和引入自发极化机制,我们得到了一种可调控的孪晶结构和有序畴结构。特别是压电力显微镜(PFM)、选区电子衍射花样(SAED)和高分辨透射电镜照片(HRTEM)均证实了陶瓷晶粒中可同时存在90度和180度有序畴结构。其中均匀平行排布的90度畴壁和孪晶界对材料中电子/空穴等缺陷载流子迁移和传输具有各向异性的阻碍作用,而这一阻碍作用即使在高温下也十分稳定。通过材料中的缺陷组织工程,对材料晶格中的氧离子空位、电子和空穴等缺陷实现了微结构尺度上的调控,从而显著改善了材料的微波介电性能。
【图文】：

图 1-1 不同频段电磁波谱在人类日常生活中的实际应用Fig. 1-1 The electromagnetic spectrums of different frequency bands is broad applied in thedaily life of human beings.

图 1-1 不同频段电磁波谱在人类日常生活中的实际应用Fig. 1-1 The electromagnetic spectrums of different frequency bands is broad applied in thedaily life of human beings.图 1-2 微波在电磁波全谱中的对应的特定区段为 300MHz-30GHzFig. 1-2 The corresponding segment of microwave frequency band located in 300MHz to30GHz range of the electromagnetic spectrum.
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.75
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本文编号：2663089