Li2ZnTi3O8微波介質陶瓷的制備及介電機理研究.pdf

1、隨著低溫共燒陶瓷（LTCC）技術的廣泛使用，研究與制備低成本、低燒結溫度、中高介電常數、低損耗、近零諧振頻率溫度系數、且與金屬電極燒結匹配的新型微波介質陶瓷成為人們研究的熱點。本文選擇燒結溫度較低的Li2ZnTi3O8微波介質陶瓷作為研究對象，利用X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和網絡分析儀等儀器系統(tǒng)地研究了制備方法（固相合成法和熔鹽法）、燒結工藝（常規(guī)固相燒結法和反應燒

2、結法）、相組成、微觀結構和微波介電性能之間的內在關系，并探討了其介電機理，最終制備出微波介電性能優(yōu)異的Li2ZnTi3O8微波介質陶瓷，并實現其低溫燒結。
　　首先研究了常規(guī)固相燒結工藝對Li2ZnTi3O8陶瓷結構和微波介電性能的影響規(guī)律，并探討了分子極化率、原子堆積密度、Ti元素價態(tài)、鍵價和鍵能等微觀結構與宏觀微波介電性能之間的內在聯系。最終確定了Li2ZnTi3O8陶瓷的最佳燒結工藝參數，預燒溫度、燒結溫度和升溫速率分別為9

3、00℃、1075℃和3℃/min，此時陶瓷的綜合微波介電性能最佳：εr=26.6，Q×f=83563GHz，ηf=-12.4ppm/℃。
　　對Li2ZnTi3O8陶瓷的晶格振動模式進行了分類和標定，并研究了陶瓷晶格振動與微波介電性能之間的內在聯系。Li2ZnTi3O8陶瓷的εr和Q×f值分別與其拉曼光譜中A1g(1)模的位移和半峰寬有關。通過阻抗譜等技術得到了室溫下Li2ZnTi3O8陶瓷電導率與介電損耗頻率頻譜，并討論了不同頻

4、率范圍內Li2ZnTi3O8陶瓷的介電損耗機制。
　　采用熔鹽法制備了Li2ZnTi3O8陶瓷，并詳細研究了熔鹽類型對材料的燒結特性、顯微組織和微波介電性能的影響規(guī)律。對比常規(guī)固相燒結法，利用NaCl-KCl、LiCl和ZnCl2熔鹽均能制備出粒度較小、表面活性高的Li2ZnTi3O8粉末，并能有效降低陶瓷粉末合成溫度和陶瓷的燒結溫度，但同時會不同程度地降低陶瓷的微波介電性能。當熔鹽為ZnCl2、預燒溫度為600℃時，Li2ZnT

5、i3O8陶瓷致密化溫度為975℃，此時其具有相對較好的微波介電性能：εr=26.68，Q×f=67724 GHz，ηf=-11.5 ppm/℃。
　　研究了反應燒結工藝對Li2ZnTi3O8陶瓷的微觀結構、有序-無序相變和微波介電性能的影響規(guī)律，并探討了其有序-無序相變對其顯微組織形貌和Q×f值的作用機理。隨著反應燒結溫度從975℃升高至1075℃，陶瓷中Li2ZnTi3O8會從有序相轉變?yōu)闊o序相，導致晶粒形貌從等軸狀轉變?yōu)樗姆叫?/p>

6、，其Q×f值明顯減小。經1025℃保溫6h反應燒結所得Li2ZnTi3O8陶瓷具有致密的顯微組織和較優(yōu)的微波介電性能：εr=25.8，Q×f=77100 GHz，ηf=-12.4 ppm/℃。
　　研究了B2O3、Bi2O3、ZnO-B2O3-SiO2玻璃及ZnO-La2O3-B2O3玻璃四種燒結助劑對Li2ZnTi3O8陶瓷相組成、燒結特性和微波介電性能的影響。四種燒結助劑均能顯著降低Li2ZnTi3O8陶瓷的燒結溫度至925℃

7、左右，其低溫燒結機制主要為液相助燒和缺陷活化燒結機制。當摻入助燒劑后，陶瓷的εr、Q×f值和ηf值均為相應地發(fā)生變化，這主要與第二相及助燒劑自身特性相關。總的來說，Bi2O3和ZnO-La2O3-B2O3玻璃助燒劑使陶瓷Q×f值的降低幅度較大，而B2O3和ZnO-B2O3-SiO2玻璃對其Q×f值的影響相對較小。當B2O3添加量為1.0wt％時，Li2ZnTi3O8陶瓷經925℃燒結后具有良好的微波介電性能：εr=24.96，Q×f=4

8、9600GHz，ηf=-11.3ppm/℃。當ZBS添加量為0.75 wt%時，Li2ZnTi3O8陶瓷經925℃燒結后具有較優(yōu)的微波介電性能：εr=25.61，Q×f=51615GHz，ηf=-11.78ppm/℃。
　　研究了CaTiO3、Ba3(VO4)2和Li2TiO3復合摻雜對Li2ZnTi3O8+0.75wt%ZBS陶瓷的燒結特性和微波介電性能的影響規(guī)律。研究表明，CaTiO3使陶瓷Q×f值的降低幅度較大，Ba3(VO

9、4)2和Li2TiO3均能明顯改善陶瓷的Q×f值。當采用Ba3(VO4)2復合摻雜時，陶瓷相組成中會出現少量低熔點的Zn3(VO4)2和LiZnVO4雜相，這會進一步降低其燒結溫度，并提高其相對密度，從而對其Q×f值略有提高。0.85Li2ZnTi3O8-0.15Ba3(VO4)2+0.75wt%ZBS陶瓷經850℃燒結4h后得到了較優(yōu)異的微波介電性能：εr=22.30，Q×f=53966GHz，ηf=-2.40ppm/℃。Li2TiO

10、3復合摻雜雖然不利于陶瓷的致密化燒結，但會顯著提高其Q×f值，這與Zn2+進入Li2TiO3晶格使其有序疇尺寸減小并能起到穩(wěn)定晶界的作用相關。當ZBS添加量為1.0 wt%時，0.6Li2ZnTi3O8-0.4Li2TiO3陶瓷經900℃燒結后具有較好的微波介電性能：εr=25.4，Q×f=86400GHz，ηf=-1.0ppm/℃，且與Ag具有良好的化學兼容性，有望作為一種新型的LTCC陶瓷用于制作多層微波器件。
　　研究了離子

11、取代對Li2ZnTi3O8陶瓷結構和微波介電性能的影響機理。結果表明，Co2+微量取代可以明顯提高Li2ZnTi3O8陶瓷的Q×f值，但Co2+取代量較大時其Q×f值會逐漸降低，這與其原子堆積密度密切相關。Ni2+微量取代時，Li2Zn1-xNixTi3O8陶瓷的Q×f值與其原子堆積密度變化趨勢相反，這是由于Ni2+離子會增加材料的電子電導導致的。隨著Sn4+取代量的增大，Li2Zn(Ti1-xSnx)3O8陶瓷的Q×f值先增大后減小，