ZnO-TiO-,2-基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷的改性及其機理研究.pdf

1、ZnO-TiO2系統(tǒng)中被確認的鋅的鈦酸鹽復(fù)合物有三種，即ZnTiO3(六方)、Zn2TiO4(立方)、Zn2Ti3O8(立方)，此系陶瓷有較低的固有燒結(jié)溫度和良好的微波介電性能，加之其原材料便宜，是極有前途的LTCC候選材料之一，因而，近年來對其結(jié)構(gòu)、燒結(jié)特性及微波介電性能的研究日益增多。然而，已有的用于促進ZnO-TiO2系陶瓷低溫?zé)Y(jié)的助燒劑還存在相當(dāng)?shù)木窒扌?，而且，在ZnO-TiO2系陶瓷材料中，微波Qf值較高的六方相ZnTiO3

2、至今還不能由固相法制備，因此，本文在這些方面展開了相關(guān)的研究工作。
　　 本文綜述了微波介質(zhì)陶瓷的一些基本問題和近年來的研究概況，特別對低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷的材料體系和研究進展進行了重點闡述；論述了ZnO-TiO2系陶瓷的制備、相構(gòu)成、各相的結(jié)構(gòu)、微波介電性能、改性及低溫?zé)Y(jié)研究動態(tài)等。
　　 用傳統(tǒng)的固相方法(或稱混合氧化物粉末法)制備了純的以及分別添加V2O5、MoO3及0.25CuO-0.75MoO3(摩爾比)的Z

3、nO-TiO2陶瓷塊體，利用XRD、SEM、EDS及網(wǎng)絡(luò)分析儀等技術(shù)手段研究了在不同燒結(jié)溫度下得到的陶瓷塊體的物相構(gòu)成、燒結(jié)特性、顯微形貌特征以及微波介電性能等。結(jié)果表明，純ZnO-TiO2陶瓷在1150℃左右燒結(jié)4h即可基本實現(xiàn)致密化燒結(jié)，其密度可達理論值的94%，微波介電性能為：εr=25.17，Qf=7577 GHz，tf=+61 ppm/℃；單從燒結(jié)性能看，V2O5是ZnO-TiO2陶瓷的一種良好的助燒劑，添加2wt%的V2O5

4、且在900℃燒結(jié)4h的陶瓷的密度即可達理論值的95.3%，但相對于純陶瓷來說，其微波介電性能卻有所降低(er=23.32，Qf=6528GHz)；MoO3在促進ZnO-TiO2陶瓷的致密化燒結(jié)上不如V2O5有效，添加4wt%的MoO3且在1050℃燒結(jié)4h的陶瓷的密度為理論值的91%，但相對于純陶瓷而言其介電性能卻有所改善(er=25.65，Qf=9881GHz，tf=+4 ppm/℃)；相較于單一添加MoO3的ZnO-TiO2陶瓷，添

5、加0.25CuO-0.75MoO3的ZnO-TiO2陶瓷的燒結(jié)性能和Qf值均有所提高，添加4wt%的0.25CuO-0.75MoO3且在975℃燒結(jié)4h的陶瓷的密度可達理論值的94%，其微波介電性能為：εr=28.60，Qf=12150 GHz，tf=+17.8 ppm/℃。
　　 ZnTiO3 (偏鈦酸鋅)在900℃左右就會開始分解為Zn2TiO4(正鈦酸鋅)和金紅石，ZnTiO3的這種亞穩(wěn)特性導(dǎo)致其單相粉末極難用傳統(tǒng)的固相法

6、進行合成，在合成得到的鈦酸鋅粉末中，總是含有大量的Zn2TiO4和金紅石。本文研究了鈦酸鋅粉體的制備工藝技術(shù)，以商業(yè)ZnO和金紅石TiO2為原料，采取降低合成溫度、延長保溫時間及分段燒結(jié)工藝，在保證ZnO被完全消耗的前提下，合成了高ZnTiO3含量的鈦酸鋅粉末，其中，ZnTiO3的質(zhì)量百分含量可達95.71%，而在合成溫度為800℃，保溫時間為4h的條件下，得到的鈦酸鋅粉末中只含有66.15%的ZnTiO3。
　　 以不同粒徑的

7、銳鈦礦TiO2為前驅(qū)體，用固相法在不同燒結(jié)溫度下合成了ZnO-TiO2陶瓷粉末，實驗結(jié)果表明，ZnO的存在可大幅度降低銳鈦礦→金紅石相變的起始溫度，同時，首次發(fā)現(xiàn)了一種晶粒尺寸效應(yīng)，即：前驅(qū)體銳鈦礦TiO2粉末的平均晶粒度越大，則合成得到的鈦酸鋅粉末中六方相ZnTiO3的含量越高，反之，晶粒度越小，ZnTiO3的含量越低。論文對這種尺寸效應(yīng)進行了解釋，并根據(jù)實驗結(jié)果的變化趨勢推測：如果銳鈦礦粉末的晶粒度足夠小，則產(chǎn)物中很可能不會出現(xiàn)Zn

8、TiO3。
　　 采用三種不同粒度的金紅石TiO2和ZnO的混合粉末(按粒度由小到大的順序分別計為M0、M1、M2)為前驅(qū)體，分別合成了ZnO-TiO2陶瓷粉末。實驗結(jié)果顯示，由M0在630℃、M1在645℃及M2在675℃燒結(jié)得到的產(chǎn)物中(保溫時間均為30h)，ZnTiO3均為唯一的鋅的鈦酸鹽復(fù)合物,并無Zn2TiO4出現(xiàn)；與之相對應(yīng)的是，由M0在640℃、M1在655℃及M2在685℃燒結(jié)得到的產(chǎn)物中(保溫時間均為4h)，均

9、出現(xiàn)了少量Zn2TiO4。上述結(jié)果表明，在相同的反應(yīng)溫度下，前驅(qū)體粉末的粒度越大，產(chǎn)物中出現(xiàn)Zn2TiO4的可能性越小，也即，在其它反應(yīng)條件相同的前提下，前驅(qū)體粉末的粒度越大，Zn2TiO4的起始形成溫度越高。
　　 ZnO-TiO2系統(tǒng)中存在一種類構(gòu)現(xiàn)象，即：ZnTiO3結(jié)構(gòu)中的氧八面體的連接方式和金紅石TiO2的相似，而Zn2TiO4和Zn2Ti3O8結(jié)構(gòu)中的氧八面體的連接方式則和銳鈦礦TiO2的相似，并由此衍生出一個類構(gòu)效