M-相微波陶瓷LNT的性能调控研究

发布时间：2020-08-01 16:53

【摘要】：二十一世纪以来,随着科技的发展与进步,以移动通信和无线局域网为代表的现代通信业也在飞速发展,这极大地带动了我们对相关电子元器件的需求。不仅如此,微波电路的集成化与小型化也是现代通信业的要求之一。为了达到这个目的,传统的金属电路元件已经无法满足要求,微波介质陶瓷逐渐成为了人们研究的热点。微波介质陶瓷是指应用于微波电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。本文一般把微波介质陶瓷分为低介电常数,中介电常数和高介电常数三种。中、高介电常数的微波介质陶瓷,由于其较高的相对介电常数更有利于微波电路的小型化与集成化,所以成了本文主要的研究对象。本文以LiNb_(0.6)Ti_(0.5)O_3(LNT)陶瓷材料为研究对象,采用传统固相反应法制备,并用两相复合法和离子掺杂法这两种方法对LiNb_(0.6)Ti_(0.5)O_3陶瓷材料进行了改性研究。本文详细探讨了用这两种方法对LiNb_(0.6)Ti_(0.5)O_3陶瓷材料性能产生的影响,并得到了Li_2O-Nb_2O_5-TiO_2-CaO系和Li_2O-Nb_2O_5-TiO_2-ZrO_2系微波介质陶瓷。这两种类型的陶瓷相对于原LiNb_(0.6)Ti_(0.5)O_3陶瓷,都有着更好的微波介电性能,所以本文对其性能和机理都进行了详细的探究。LiNb_(0.6)Ti_(0.5)O_3微波介质陶瓷的主晶相是M-相,其相对介电常数较高(ε_r=69),但是其谐振频率温度系数τ_f较大。Li Nb_(0.6)Ti_(0.5)O_3微波介质陶瓷在1100℃下烧结2h得到的微波介电性能为:ε_r=69,Q×f=5446 GHz,τ_f=30.6 ppm/℃,通常要求τ_f近零以获得更好的温度稳定性,因此需要进一步优化。本文首先用两相复合法对LiNb_(0.6)Ti_(0.5)O_3陶瓷材料进行性能调节。本文选用了几种具有高介电常数,低谐振频率温度系数的相来对其进行改性,发现掺入了Ca~(2+)后,LiNb_(0.6)Ti_(0.5)O_3陶瓷会生成第二相Ca_5Nb_4Ti_3O_(21)。该相是个很罕见的相,本文通过计算知道该相有着很高的相对介电常数ε_r和很低的谐振频率温度系数τ_f。Ca_5Nb_4Ti_3O_(21)相会对LiNb_(0.6)Ti_(0.5)O_3陶瓷的性能产生很大的影响,根据Ca~(2+)含量的不同,本文得到了一系列Li_2O-Nb_2O_5-TiO_2-CaO系微波介质陶瓷LiNb_(0.6)Ti_((0.5-x))Ca_(1.231x)O_3(x=0-0.1)。当x=0.03时,样品在1100℃下烧结2h可以获得优异的微波介电性能:ε_r=76.89,Q×f=4064 GHz,τ_f=0.25 ppm/℃。然后本文用离子取代法对LiNb_(0.6)Ti_(0.5)O_3陶瓷材料进行性能调节。本文选用了多种离子分别尝试进行Nb位和Ti位的取代,发现掺入Zr~(4+)对Ti~(4+)进行取代有着不错的效果。掺入Zr~(4+)后,样品的晶胞参数产生了变化,晶胞体积变大,得到了一系列Li_2O-Nb_2O_5-TiO_2-ZrO_2系微波介质陶瓷Li Nb_(0.6)Ti_((0.5-x))Zr_x O_3(x=0.04-0.14)。当x=0.1时,样品在1100℃下烧结2h可以获得优异的微波介电性能:ε_r=63.14,Q×f=4626GHz,τ_f=1.38 ppm/℃。这两种改性后的微波介质陶瓷均可应用于实际,本文对其相关的机理也进行了探究。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.1
【图文】：

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第二章 实验工艺及测试方法2.4 实验测试方法一般来说，陶瓷样品的性能测试种类是多种多样的，本文会根据实验需求，对微波介质陶瓷样品进行如下的测试：a) 微波介电性能测试微波介质陶瓷材料的性能测试主要分为相对介电常数εr测试、Q × f 值测试和谐振频率温度系数τf值测试。其中，εr和 Q × f 的测试可以利用金属谐振腔、矢量网络分析仪和相关软件来完成测试。首先，需要在干净的环境中(比如超净间)用合格的细砂纸把样品的上下面打磨光滑，然后使用游标卡尺测量样品的高度和直径。然后，将样品放入金属谐振腔的两个金属探针之间，旋动金属谐振腔上下的金属转盘使它与样品上下表面充分接触。接着在软件中输入相关参数，找到谐振峰即可测出εr和 Q × f 值。图 2-2 为金属谐振腔的结构示意图。

在公式(2-2)中，ρ指的是所测样品的密度，A 为样品在空气中所测得的质量，B 为样品在水中所测得的质量，ρ0指的是水的密度。利用以上关系式即可得到样品的密度。c) X 射线衍射分析X 射线衍射分析是指利用 X 射线在晶体里的衍射效应对晶体结构进行分析的技术。作为一种由成熟的理论而衍生出来的一种常用的分析测试方法，本文会使用 X 射线衍射仪进行分析。由于每一种晶体都有特定的结构，有着不同的晶胞参数，当用 X 射线入射晶体时，晶体内各原子会对其产生散射，而这些散射产生的波会互相干涉，在某一方向上产生最强的衍射，所以不同结构的晶体会有不同的 X射线衍射分布，可以利用这一点对晶体物相、结构进行分析。作为 X 射线晶体衍射的基础公式是布拉格方程：n 2 dsin （2-3）在公式(2-3)中，n 为反射级数，λ为 X 射线波长，d 为晶面间距，θ为掠射角。通常 X 射线衍射的方法种类较多，本文中的陶瓷样品采用粉末衍射法。

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本文编号：2777735