Ruddlesden-Popper型微波介质陶瓷的结构和性能

发布时间：2020-06-30 20:46

【摘要】：近年来,具有Ruddlesden-Popper层状结构的电介质材料由于其微波应用的诱人前景而获得广泛关注。本文探索了MLnAlO4(M = Ca,Sr;Ln=La,,Sm)基陶瓷的改性与烧结工艺优化;系统研究了 SrLanAlnO3n+1(n = 1,2)与Srn+1 TinO3n+1(n =1,2)陶瓷的成分、结构、与微波介电性能。获得的主要结论如下:在 SrLaAlO4 中通过 B 位 Zn2+/Ti4+置换 Al3+可获得 SrLaAl1-x(Zn0.5Ti0.5)xO4单相固溶体陶瓷,并显著改善其微波介电性能。εr随着Zn2+/Ti4+置换量的增加而增大;τf可从-30ppm/℃调节到33.6ppm/℃并在x = 0.5附近获得近零值。当x≤0.5时,Q.值随x值的增加有一定程度的提高,之后随x的增加而明显下降。结构精修表明:当x0.5时,沿c轴化学键(Sr/La-02b和Al/Zn,Ti-02)键长出现一明显突变,该突变导致结构中内应力增加且微结构中缺陷也明显增多,从而使Qf值在该成分处发生下降。设计并成功地制备出了具有n = 2型R-P结构和优异微波介电性能的Sr2LaAlTiO7陶瓷。结构精修表明:该材料空间群结构为I4//mmm,层间极化与SrLa2A12O7陶瓷相比有明显改善。此外,由[001]、[010]和[110]晶带轴的高分辨透射电镜图像(HRTEM)可知该陶瓷具有理想的周期层状结构堆垛。由于结构和微结构的改善,在Sr2LaAlTi07陶瓷中获得了优异的微波介电性能。成功地获得了介电常数在40～70之间且具有超低介电损耗的Srn+iTin03n+1(n=1,2)微波介质陶瓷。XRD分析表明该陶瓷空间群结构为四方I4/mmm。Qf值随陶瓷致密度和晶粒尺寸的增大而逐渐增大,之后由于氧空位含量的增多而出现轻微下降。εr和τf主要由陶瓷成分决定,随微结构的变化不明显。通过 B203 的添加可有效降低 Ca1.15sSm0.85Al0.85Ti0.15O4 和 Sr0.6Ca0.4LaA104 陶瓷的致密化温度。在Ca1.15Smo.85Alo.85Ti0.15O4陶瓷中添加适量B2O3(≤ 0.15 wt%)不会引起相组成的改变,Qf值不发生明显下降;B203过量时,晶粒间残余的非晶相会与陶瓷基体反应生成对性能有害的第二相,介电损耗明显增大。而对于Sr0.6Ca0.4LaAlO4陶瓷,微量B2O3的加入便会产生对性能有害的第二相,Qf值发生明显下降。因此,在设计实验降低陶瓷烧结温度时,应根据陶瓷成分选择合适的烧结助剂并严格控制烧结助剂的含量。研究出了以下具有优异微波介电性能的材料:SrLaAl1-x(Zn0.5Ti0.5)xO4:εr= 23.5,Qf= 102,000 GHz,τf= 3.4 ppm/℃(x = 0.5);Sr2LaAlTiO7:εr= 26.5,Qf= 110,850 GHz,τf= 2.95 ppm/℃。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ174.1
【图文】：

色散图,色散,极化机制,固有频率

极化机制固有频率时，各极化机制均参与响应，介电常数达到最大；随着电场频逡逑率的逐渐增大，固有频率较低的极化机制则由于跟不上电场的变化而退出响应。逡逑因此，介电常数随电场频率的增大而呈现阶梯状下降的趋势（见图１．２）。在四逡逑种响应机制中，电子极化建立的时间极短，约为１0“５？１0－１６秒，固有频率最高；逡逑离子极化建立的时间约为１０－１２￣１０－１３秒；取向极化建立的时间较长，约为１0夂￣１0－１（）逡逑４逡逑

示意图,质因数,谐振峰,相关参数

＇辐射品质因数和外部品质因数。在工程上，徏可直观地用谐振频率＞与谐振频逡逑率峰－３ｄＢ峰宽Ａ／０的比值来表示。如图１．３所示，品质因数徏越大，谐振峰越尖逡逑锐，谐振器的频率选择性越好，在特定频段下发生窜扰的概率则越小。逡逑

【参考文献】