铌酸钾钠陶瓷的制备及性能研究

发布时间：2020-10-24 13:46

【摘要】：随着基础研究的深入,铌酸钾钠陶瓷的应用领域不断得到拓展。目前学者们对铌酸钾钠陶瓷介电性能的研究频段主要集中在低频段(KHz、MHz),很少涉及到GHz及以上的高频段。考虑到铌酸钾钠陶瓷的发展现状,并结合本课题组的技术优势,本论文对铌酸钾钠陶瓷在X波段(8.2~12.4GHz)的介电性能进行了探索分析,同时研究了其烧结特性、显微结构、相结构以及力学性能等。采用传统电子陶瓷制备工艺制备了一组钾钠配比不同的铌酸钾钠(K_xNa_(1-x)NbO_3)陶瓷。K_xNa_(1-x)NbO_3固溶体的烧结特性明显优于单组元陶瓷,陶瓷的烧结温度范围狭窄并且最优烧结温度相差较大。固溶体陶瓷均呈现大小晶粒相间分布的显微结构形貌。固溶体陶瓷的力学性能差别不大,平均抗弯强度和硬度分别为78.94MPa和319.6HV。固溶体陶瓷在X波段的复介电常数随着陶瓷中钾含量x的增大先增大后减小,此变化趋势很可能与其晶格参数在等成分点附近的不连续变化有关。选择K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3陶瓷进行后续研究发现,当烧结温度提高至1110℃时,陶瓷中出现第二相。气孔率对陶瓷的复介电常数有很大影响,陶瓷的致密度越高,其介电常数越大。K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3陶瓷的复介电常数随着测试温度的提高而增大,并且由于其晶格结构的正交-四方相变,介电参数在220℃发生突变。退火处理使K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3的复介电常数数值减小且频率响应特征发生改变,这是由陶瓷内部应力状态以及可移动电荷数量的改变引起的。在X波段范围内,采用950℃预烧、1090℃终烧的烧结工艺制备的K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3陶瓷的复介电常数实部和虚部值分别为110~140和60~80,介电损耗为0.4~0.7,反射率值高于-5dB,吸波性能较差。为调整铌酸钾钠陶瓷的复介电常数,用传统方法制备铌酸钾钠/氧化铝(KNN/Al_2O_3)复合陶瓷。由于KNN的固相线温度和Al_2O_3的熔点相差较大,随着复合陶瓷中Al_2O_3含量的增大,陶瓷的烧结性能变差,两相交界处的气孔增多,复合陶瓷的抗弯强度随Al_2O_3含量的增大而降低。陶瓷主相为KNN和Al_2O_3,但也存在杂相如Nb_2O_5。Al_2O_3的加入有效地降低了陶瓷的复介电常数,并改善了陶瓷的吸波性能。将原料粉体K_2CO_3、Na_2CO_3、Nb_2O_5和Al_2O_3按照K_(0.5)Na_(0.5)Nb_(0.7)Al_(0.3)O_3的化学计量比共烧结制备陶瓷,发现此法制备的陶瓷具有严重的潮解性。其反应机理由两部分组成:Nb_2O_5与碳酸盐生成铌酸钾钠陶瓷,Al_2O_3与碳酸盐生成偏铝酸盐,并且Al_2O_3倾向于与碱性较强的K_2O结合。偏铝酸盐在空气中无法稳定存在,容易发生水合作用导致铌酸钾钠陶瓷表现出潮解特性。可见铌酸钾钠陶瓷对制备工艺的要求十分严格,改变原料的混合方式将得到截然不同的实验结果。在KNN/Al_2O_3中引入Li元素掺杂制备KNLN/Al_2O_3复合陶瓷,目的是为了改善陶瓷的烧结特性,同时通过Li离子对K和Na离子的取代进一步调控陶瓷的复介电常数,以改善其吸波性能。Li掺杂使陶瓷发生部分液相烧结,从而改善烧结特性,提高陶瓷的致密度。Li掺杂使复合陶瓷的介电常数实部明显增大,但是对介电常数虚部的影响较小。当Al_2O_3的摩尔比例较大时,Li掺杂促进烧结的作用以及对介电常数的影响均不再明显,Al_2O_3对介电参数的影响增大。Al_2O_3的引入会降低LiNbO_3在KNN中的固溶度,复合陶瓷的相组成为KNLN、Al_2O_3以及少量K_3LiNb_6O_(17)。当KNLN/Al_2O_3陶瓷中Al_2O_3的摩尔比例为0.4时,陶瓷的复介电常数实部和虚部值分别为35~45和5~10。当样品厚度为1.35mm时,陶瓷具有较好的吸波性能,最低反射率为-49dB,且反射率低于-10dB的频段为8.2~9.6GH。
【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】：TQ174.1
【图文】：

原理如图 1-1 所示：当电磁波入射到材料生反射，另一部分电磁波则通过界面进内部的电磁波能量转换成其他形式的能量用而衰减；当未被损耗的电磁波遇到材，另一部分被后界面反射回来，从而继续达波通过以上相互作用，最终达到降低雷

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本文编号：2854545