溶胶—凝胶法制备钙钛矿结构纳米微波介质陶瓷

发布时间：2019-03-27 17:08

【摘要】： 溶胶-凝胶法在制备陶瓷领域得到广泛应用,主要是因为溶胶凝胶法能够使反应原料之间在分子水平上达到均匀混合,并且能够相对容易获得粒径小,粒度分布均匀的纳米粒子。微波介质陶瓷作为一种用于通信等领域的功能性陶瓷得到深入研究。由于对器件小型化,集成化的要求,所以高介微波介质陶瓷具有很大的研究价值。研究中发现(Ca_(0.61),Nd_(0.26))TiO_3和(Nd_(0.55),Li_(0.35))TiO_3高介微波介质陶瓷均存在烧结温度高,介电损耗大的缺点,所以降低该体系陶瓷烧结温度和提高其微波介电性能进而合成出性能优良、应用稳定的陶瓷是所需解决的关键问题。本文以CaTiO_3为基体,分别以Nd和Li,Nd取代A位,采用溶胶-凝胶法合成分散性好,粒度小的纳米粒子制备该体系陶瓷,从而研究纳米粒子对微波介质陶瓷性能和结构的影响。本文通过研究发现,通过溶胶-凝胶法制备纳米粒子进而合成陶瓷与固相法合成的陶瓷相比具有如下特点: (一)采用5-10nm左右的纳米粒子合成的(Ca_(0.61),Nd_(0.26))TiO_3陶瓷可以在低于固相法200℃的温度下获得致密的陶瓷相,并且微波介电性能有了很大的提高。研究中发现干凝胶在500℃下热处理两小时可以得到分散性单一,粒径大小为5-10nm左右的纳米粒子。采用该纳米粒子合成(Ca_(0.61),Nd_(0.26))TiO_3陶瓷,可以在1200℃处烧结两小时得到致密陶瓷相,并且晶粒大小分布均匀,大约为1-3μm,并且获得较好的微波介电性能Q×f=25200GHz,ε_r=90.2。而固相法合成的该体系陶瓷,烧结温度基本在1400℃,并且晶粒分布跨度很大,约1-10μm,陶瓷相中孔隙很多,Q×f约为17200GHz左右。 (二)在溶胶-凝胶阶段成功实现Li-Cu-B对(Ca_(0.61),Nd_(0.26))TiO_3陶瓷掺杂,发现低熔点Li-Cu-B助剂可以有效降低干凝胶主相成相温度,并且在300℃下获得了分布均匀的小尺度纳米粒子。而所得到的陶瓷的烧结温度有了较大程度的降低,但是介电性能并没有受到明显影响。研究中发现干凝胶在300℃下热处理1h可以得到粒径约为10-15nm的纳米粒子。采用该纳米粒子合成的陶瓷可以在1100℃下2h达到致密烧结。SEM照片显示该陶瓷相晶粒呈现规则的六方结构,晶粒约在200nm。介电性能为Q×f=17148GHz,ε_r=89.63,τ_f=+239 ppm℃~(-1),这几乎达到固相法未添加任何烧结助剂时的微波介电性能。 (三)(Nd_(0.55),Li_(0.35))TiO_3陶瓷A-位有序结构对陶瓷介电性能有很大影响。通过研究发现,溶胶-凝胶法制备纳米粒子继而采用所制备的纳米粒子合成陶瓷,所得到的陶瓷为单一的钙钛矿结构,介电性能为Q×f=8256GHz,ε_r=86.23,同固相法合成相同结构的陶瓷(Q×f=1350 GHz,ε_r=68.7)相比有很大的提高。对两种方法合成的陶瓷的微观结构进行表征分析,发现固相法合成的陶瓷在纳米尺度范围内产生明显的相分离现象,即:(Nd_(0.55),Li_(0.35))TiO_3相在纳米尺度范围内分解成(Nd_(0.5),Li_(0.5))TiO_3相以及成“锯齿状”周期对称分布在(Nd_(0.55),Li_(0.35))TiO_3周围的Nd_(2/3)TiO_3相构成一种棋盘状超结构。而采用溶胶凝胶法合成的陶瓷则避免了这种由于A-位Nd~(3+)和Nd~(3+),Li~+,空位双层有序结构周期性排列而产生的相分离现象,从而使该陶瓷的微波介电性能得到很大提高。所以纳米尺度范围内周期性分布的两相是影响陶瓷介电性能的主要原因。 (四)溶胶-凝胶法制备(1-x)(Ca_(0.61),Nd_(0.26))TiO_3—x(Nd_(0.55),Li_(0.35))TiO_3复合纳米粉体,然后采用纳米粉体合成复合陶瓷,使陶瓷的烧结温度明显降低。研究发现这两种体系的陶瓷在溶胶凝胶阶段复合可以制备出分散性较好的纳米粒子,并且可以在1150℃烧结2h得到致密的陶瓷相。当x=0.6时,谐振频率温度系数达到零,实现了(Nd_(0.55),Li_(0.35))TiO_3对(Ca_(0.61),Nd_(0.26))TiO_3较高的正谐振频率温度系数的补偿,合成出了微波介电性能优良的复合陶瓷Q×f=7114.5GHz,ε_r=93.43。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ174.6

【引证文献】