铌酸钛钴基微波介质陶瓷的制备与性能研究

发布时间：2017-12-17 11:01

  本文关键词：铌酸钛钴基微波介质陶瓷的制备与性能研究

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【摘要】：随着微波通信技术的迅猛发展,低损耗中介电(εr)微波介质陶瓷已经成为卫星通讯及移动基站中谐振器的关键材料。目前实用化的中εr陶瓷材料种类较少、结构单一、性能偏低。CoTiNb_2O_8陶瓷的εr可达63.5,同时具有优异的品质因数(Q×f)。但它的谐振频率温度系数(τf)过大、烧结温度过高,而且相关研究甚少。基于此,本论文首次围绕其性能优化展开研究,通过掺杂烧结助剂、不同晶位离子取代、两相复合等方法,获得了一系列新型高Q中εr微波介质陶瓷。借助X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(FT-Raman)、透射电镜(TEM)以及热激励去极化电流(TSDC)等技术深入探讨了材料晶体结构与微波介电性能之间的联系,并对其缺陷类型与介电损耗关联机制进行了分析。采用传统固相法制备了 CoTiNb_2O_8陶瓷,在1250℃烧结4h后其微波介电性能为εr=63.5,Q×f=25,300GHz,τf=86.06ppm/℃。在此基础上,添加了低熔点氧化物(CuO和B_2O_3)对CoTiNb_2O_8陶瓷进行低温烧结,研究了烧结助剂在基体陶瓷中的存在形式,阐述了其低温烧结机理。添加CuO后,液相CuNb_2O_6的形成以及Cu2+的扩散,这两者共同作用使陶瓷烧结温度降低至950℃,并且与Ag共烧匹配。B_2O_3加入到基体陶瓷后并没有引起任何杂相的形成。在烧结过程中,低熔点的B_2O_3以液相形式存在,促进传质。低频介电谱以及TSDC研究表明,B_2O_3增大了CoTiNb_2O_8陶瓷的氧空位缺陷浓度,并引起偶极子等新的缺陷形成,使Q×f降低至18,793GHz。为了降低烧结温度,本论文首次采用溶胶凝胶法以Nb_2O5·nH_2O为铌源合成了CoTiNb_2O_8微波介质陶瓷,并对其制备工艺参数、晶体结构和微波介电性能作出了系统的分析。红外光谱(FT-IR)测试结果表明,柠檬酸与金属离子主要以双齿形式耦合。pH=4时,干凝胶经800℃煅烧4h可以获得结晶化程度良好、分散均匀的单相纳米粉体。目标产物CoTiNb_2O_8的形成过程与固相法相似,均是中间相CoNb_2O_6与TiO2反应的结果。经过压片成型,CoTiNb_2O_8陶瓷在1000℃就可以致密化,实现了陶瓷的低温烧结。此时,陶瓷材料的微波介电性能为:εr=64.2,Q×f=16,800GHz,τf66.17ppm/℃,该工艺流程简单、安全易行。针对微波器件实际应用的要求,通过不同晶位离子取代(包括Zr取代Ti、V取代Nb)来改善CoTiNb_2O_8陶瓷谐振频率温度系数过大、烧结温度过高的缺点,并结合Rietveld晶体结构精修、TEM等手段,深入揭示了材料微波介电性能的变化原因。Zr4+取代Ti4+后,当x≤0.2以及x≥0.6,陶瓷分别以四方金红石型结构和单斜钨锰铁矿结构的单相固溶体形式存在,而x=0.4时,两相共存。Zr的引入增大了材料的致密度和原子堆积密度,优化了材料的Q×f值,此外还加剧了氧八面体畸变,使τf得以调整。添加V5+后,CoTiNb_2O_8陶瓷烧结行为得到改善。在整个研究范围内,CoTi(Nb1-xVx)2O_8以单相金红石固溶体形式存在。Raman结果表明,CoTi(Nb1-xVx)2O_8陶瓷微波介电性能变化与拉曼散射峰偏移密切相关。采用CoNb_2O_6作为温度补偿元来调节CoTiNb_2O_8陶瓷的谐振频率温度系数。CoNb_2O_6加入后在一定程度上起了助烧剂的作用,改善了基体材料的烧结行为。在烧结过程中,金红石CoTiNb_2O_8始终与铌铁矿CoNb_2O_6保持两相共存的状态。通过Lichtenecker混合法则,将复合材料介电性能的理论值和实测值进行了对比,初步分析了(1-x)CoTiNb_2O_8-xCoNb_2O_6陶瓷微波介电性能的变化原因。在x=0.8附近,获得了一种具有零温度系数的微波介质陶瓷材料,同时Q×f值得到提高。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ174.75

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本文编号：1299833