ZnAl-,2-O-,4-基低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的結構與性能.pdf

1、綜觀微波介質(zhì)陶瓷材料的發(fā)展歷史和應用前景，結合當前微波介質(zhì)陶瓷的研究現(xiàn)狀，確定ZnAl2O4基陶瓷為本文的研究對象。利用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、X射線能譜(EDS)、X射線光電子能譜(XPS)、電子探針(EPMA)和網(wǎng)絡分析儀等儀器系統(tǒng)地研究了制備方法(常規(guī)固相法和熔鹽法)、燒結工藝、相成分、微觀組織結構和微波介電性能之間的關系。 首先研究了(1-x)ZnAl2O4-xTiO2材料的燒結特性、相成分和微波介電性

2、能。結果表明，TiO2能有效地改善材料的燒結性能和調(diào)節(jié)材料的諧振頻率溫度系數(shù)，當x=0.21時，(1-x)ZnAl2O4-xTiO2陶瓷具有近零的諧振頻率溫度系數(shù)，體系中包括細小的ZnAl2O4尖晶石晶粒和粗大的金紅石相晶粒。在此基礎上，系統(tǒng)地研究了(1-x)ZnAl2O4-xTiO2(x=0.21)材料的預燒溫度、燒結溫度和升溫速率，并確定了最佳工藝參數(shù)，它們分別為1150℃、1500℃和5℃/min，此時的微波介電性能為：εr=11

3、.6、Q·f=74000GHz、τf=－0.4ppm/℃。 利用熔鹽法制備了(1-x)ZnAl2O4-xTiO2陶瓷，并探索了材料的燒結性能、微觀組織和微波介電性能特點。與常規(guī)固相法相比，利用LiCl和ZnCl2熔鹽均能制備出顆粒細小均勻、活性高的(1-x)ZnAl2O4-xTiO2粉末，并能有效降低材料的燒結溫度，但同時也降低了材料的密度和微波介電性能。當熔鹽為LiCl、預燒溫度為900℃時，(1-x)ZnAl2O4-xTiO

4、2(x=0.21)陶瓷的致密化溫度為1425℃，微波介電性能分別降到：εr=10.0、Q·f=39970GHz、τf=－21.2ppm/℃。當x=0.25時，(1-x)ZnAl2O4-xTiO2陶瓷的致密化溫度降低到1300℃，τf值被調(diào)節(jié)到－7.1ppm/℃，同時，Q·f值降低到27000GHz，而εr值變化很小。當熔鹽為ZnCl2、預燒溫度為900℃時，(1-x)ZnAl2O4-xTiO2(x=0.25)陶瓷的致密化溫度為1350℃

5、，此時材料的微波介電性能為：εr=10.0、Q·f=56440GHz、τf=－25.4ppm/℃。 利用MO(M=Co，Mg，Mn)和TiO2共同改性ZnAl2O4時，比較了(1-x)ZnAl2O4- xM2TiO4(x=0.21)與(1-x)ZnAl2O4-xTiO2(x=0.21)陶瓷的相成分、微觀結構和微波介電性能之間的差異。研究表明，Co2+離子能促使Ti4+離子固溶入ZnAl2O4尖晶石晶格中形成單一的固溶體相，能將Q

6、·f值從74000GHz提高到94000GHz。Mg2+和Mn2+離子均不能使Ti4+離子完全固溶入ZnAl2O4晶格中，而在體系中分別出現(xiàn)了MgTi2O5和ZnMn3O7相，兩者的Q·f值分別為188540GHz和23530GHz。與(1-x)ZnAl2O4-xTiO4(x=0.21)陶瓷相比，(1-x)ZnAl2O4-xM2TiO4(x=0.21)陶瓷的εr和τf值均有所降低，但相互之間的差別很小。 進一步研究了(1-x)Z

7、nAl2O4-xM2TiO4(M=Co，Mg)陶瓷的相變過程和微波介電性能特點。結果表明，對于(1-x)ZnAl2O4-xMg2TiO4體系，當x=0.1時，ZnAl2O4能與Mg2TiO4形成尖晶石固溶體，當x=0.21～0.8時，體系中包括尖晶石相和MgTi2O5相，當x=0.9和1.0時，體系中存在尖晶石相和MgTiO3相。對于(1-x)ZnAl2O4-xCo2TiO4體系，當x=0.1～0.3時，ZnAl2O4能與Co2TiO4

8、形成尖晶石固溶體，當x=0.4時，體系中析出少量Co2TiO4相，當x=0.5時，體系中同時析出Co2TiO4和(Zn，Co)Al2O4相，兩者相互交替生長在(1-x)ZnAl2O4-xCo2TiO4基體上。隨著M2TiO4含量的增加，(1-x)ZnAl2O4- xM2TiO4陶瓷的εr值幾乎線性增大，Q·f值先減小然后增大，τf值變化很小。 研究了TiO2、CaTiO3和SrTiO3對0.79ZnAl2O4-0.21M2TiO

9、4(M=Co，Mg)陶瓷諧振頻率溫度系數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，TiO2不能調(diào)節(jié)0.79ZnAl2O4-0.21M2TiO4(M=Mg，Co)材料的τf值，因為TiO2與基體反應生成了具有負溫度系數(shù)的MTi2O5相。CaTiO3和SrTiO3均能有效地調(diào)節(jié)0.79ZnAl2O4-0.21M2TiO4(M=Co，Mg)材料的τf值。總的來說，隨著CaTiO3(或SrTiO3)添加量的增多，材料的εr和τf值逐漸增大，而Q?f值具有減小的趨勢。

10、 研究了ZnB2O4和B2O3助燒劑對(1-x)(0.79ZnAl2O4-0.21Co2TiO4)-xCaTiO3(x=0.08)(ZCC)和(1-x)(0.79ZnAl2O4-0.21Mg2TiO4)-xCaTiO3(x=0.06)(ZMC)材料的燒結特性、相成分和微波介電性能的影響。ZnB2O4助燒劑能將ZCC材料的燒結溫度降低到1100℃，降幅為300℃，但ZnB2O4助燒劑對ZMC材料以及B2O3助燒劑對ZCC和ZMC材料