兩種Ti基微波介質(zhì)陶瓷的制備與性能研究.pdf

1、微波介質(zhì)陶瓷材料是一種近30年來快速發(fā)展的新型電子功能陶瓷材料，它被廣泛應(yīng)用于300MHz~3000GHz的微波頻段。微波介質(zhì)陶瓷具有高介電常數(shù)(εr)、低介電損耗( tanδ，或者高Q× f， Q=1/tanδ)和小諧振頻率溫度系數(shù)(τf)，常以介質(zhì)諧振器的形式出現(xiàn)在微波振蕩器、濾波器、天線等微波器件中；其次在LTCC技術(shù)中，900℃左右低溫?zé)傻奈⒉ń橘|(zhì)陶瓷還可作為微波電路中的介質(zhì)基板材料。近年來，微波介質(zhì)陶瓷材料需求持續(xù)旺盛，研制

2、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型微波介質(zhì)陶瓷，已經(jīng)成為戰(zhàn)略性、前沿性和前瞻性高技術(shù)問題。本文采用固相法合成陶瓷粉體，以及傳統(tǒng)陶瓷工藝制備陶瓷樣品，面向?qū)嶋H應(yīng)用，從材料組份對(duì)陶瓷物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和微波介電性能影響出發(fā)，圍繞 BaTi4O9-BaZn2Ti4O11和ZrTi2O6-ZnNb2O6兩種Ti基微波介質(zhì)陶瓷展開，得到了如下的主要研究成果：
　　1.通過一次固相合成工藝，制備出了能夠相互穩(wěn)定共生且共存的(1-x)BaTi4O9-xBa

3、Zn2Ti4O11復(fù)相微波介質(zhì)陶瓷。當(dāng)x從0.05增加到0.50，BaZn2Ti4O11晶相的相對(duì)含量能穩(wěn)定增加，陶瓷介電常數(shù)從εr=37.3減小到εr=32.8；Q× f值先從45300GHz增加到峰值60600GHz(x=0.30)，然后下降到58700GHz(x=0.40)；頻率溫度系數(shù)從τf=+12ppm/℃以近似直線的趨勢下降到τf=-3ppm/℃。最終，0.7BaTi4O9-0.3BaZn2Ti4O11復(fù)相介質(zhì)陶瓷在1240

4、℃燒結(jié)3h致密，微波介電性能最優(yōu)為：εr=34.2， Q× f=60600GHz，τf=-2.0ppm/℃。
　　2.通過摻雜CuO形成液相燒結(jié)，將BaTi4O9-BaZn2Ti4O11復(fù)相微波介質(zhì)陶瓷燒結(jié)溫度降到1150℃。此外，Cu2+可對(duì)Zn2+進(jìn)行取代，使BaZn2Ti4O11晶相的相對(duì)含量提高，而且還降低了其晶格常數(shù)，這都有益于陶瓷Q× f值的提高；而且，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行適量Cu2+離子取代可以抑制BaZn2-xCuxTi4O1

5、1微波介質(zhì)陶瓷在空氣中燒結(jié)時(shí)發(fā)生的失氧反應(yīng)，使Q×f值的穩(wěn)定性和重復(fù)性提高了。摻雜1.0wt％ CuO的0.85BaTi4O9-0.15BaZn2Ti4O11復(fù)相介質(zhì)陶瓷在1150℃保溫3h就能獲得致密的微觀結(jié)構(gòu)，而且微波介電性能更加優(yōu)異：εr=36.4，Q× f=62600GHz，τf=+0.2ppm/℃，綜合微波介電性能優(yōu)于許多公開報(bào)道的同類微波介質(zhì)陶瓷，具有實(shí)際應(yīng)用潛力。在10Kg擴(kuò)大試驗(yàn)中，此微波介質(zhì)陶瓷的性能優(yōu)異且穩(wěn)定，經(jīng)相關(guān)

6、廠家驗(yàn)證此新型微波介質(zhì)具有商業(yè)化應(yīng)用潛力。
　　3.為了滿足LTCC技術(shù)要求，通過摻雜低溫?zé)Y(jié)助劑BaCu(B2O5)，使BaTi4O9-BaZn2Ti4O11微波介質(zhì)陶瓷燒結(jié)溫度降低至900℃。摻雜 BaCu(B2O5)會(huì)導(dǎo)致部分BaTi4O9相分解為Ba4Ti13O30，以及新雜相BaTi(BO3)2生成。BaCu(B2O5)摻雜也能形成液相燒結(jié)機(jī)制，并在900℃燒結(jié)可以獲得相對(duì)致密的微觀結(jié)構(gòu)。摻雜11wt% BaCu(B2O

7、5)并在900℃燒結(jié)2h獲得的0.85BaTi4O9-0.15BaZn2Ti4O11介質(zhì)陶瓷有較好的微波介電性能：εr=30.9，Q×f=20200GHz，τf=+11.7 ppm/℃。此微波介電性能相較于其他BaO-ZnO-TiO2三元基低燒微波介質(zhì)陶瓷具有優(yōu)勢，特別是Q× f值相對(duì)較高。
　　4.純ZrTi2O6-ZnNb2O6微波介質(zhì)陶瓷在空氣中燒結(jié)，會(huì)有失氧化學(xué)反應(yīng)，致使其Q× f值非常低。通過摻雜變價(jià)元素Mn離子取代Ti

8、4+，會(huì)導(dǎo)致原料中TiO2相被遺留下來，構(gòu)成第二雜相；還能促進(jìn)晶粒生長。受益于Mn離子的受主作用，摻雜0.7wt% MnCO3的樣品在空氣中燒結(jié)具有最大Q×f=44800GHz，高出在空氣中燒結(jié)的純樣品的Q×f值15倍以上。最終，摻雜0.7wt% MnCO3的0.69ZrTi2O6-0.31ZnNb2O6介質(zhì)陶瓷可在1270℃的空氣中燒結(jié)7h致密，且具有良好的微波介電性能：εr=45.3，Q×f=43300GHz，τf=-0.5 ppm

9、/℃。
　　5.研究了Zr(Zn1/3Nb2/3)xTi2-xO6(0.2≤x≤0.8)固溶體微波介質(zhì)陶瓷的晶相組成、微觀結(jié)構(gòu)和微波介電性能。復(fù)合離子(Zn1/3Nb2/3)4+可全部固溶進(jìn)入 Zr-Ti晶相，當(dāng)x=0.5~0.8時(shí)，形成純 ZrTi2O6固溶體單相區(qū)。在此單相區(qū)，隨著 x值增加，陶瓷樣品的介電常數(shù)從εr=43.0連續(xù)下降到εr=39.2，τf值從τf=-10.2ppm/℃減小到fτ=-25.5ppm/℃， Q×

10、f值從40900GHz增加到43200GHz。Q× f值增加是由于復(fù)合離子(Zn1/3Nb2/3)4+對(duì) Ti4+離子取代增強(qiáng)了 ZrTi2O6晶相中的共價(jià)鍵作用。最后， Zr(Zn1/3Nb2/3)0.6Ti1.4O6+0.3wt% MnCO3陶瓷在1260℃空氣中燒結(jié)6h，可獲得致密的微觀結(jié)構(gòu)，為純Zr(Zn1/3Nb2/3)xTi2-xO6固溶體單晶相，而且具有好的微波介電性能：rε=41.7，Q×f=42100GHz，τf=-1