SrLn2Al2O7(Ln=La,Nd,Sm)基陶瓷的結(jié)構(gòu)與微波介電性能.pdf

1、Ruddlesden-Popper層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物的化學(xué)通式為A'2[An-1BnO3n+1]，因其具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能而引起了廣泛關(guān)注。近些年來，其研究范圍已擴(kuò)展到微波介質(zhì)材料領(lǐng)域。本論文系統(tǒng)研究了該系列化合物中n=2的SrLn2Al2O7(Ln=La，Nd，Sm)陶瓷的結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)對材料微波介電性能的影響規(guī)律;利用Sr/Ca置換對陶瓷的燒結(jié)行為和微波介電性能進(jìn)行了改性;探索了該類材料所處的MO-Ln2O3-Al2O3(M=S

2、r, Ca; Ln=La，Nd)贗三元體系中其它成分陶瓷材料的微波介電性能。
　　首先，通過標(biāo)準(zhǔn)固相反應(yīng)法制備了空間群為14/mmm的SrLn2Al2O7(Ln=La，Nd，Sm)陶瓷。分析測試結(jié)果表明，該系列陶瓷具有較好的微波介電性能，有望成為微波應(yīng)用的有力候選材料。XRD精修結(jié)果表明，Sr2+/Ln3+離子在SrLn2Al2O7(Ln=La，Nd, Sm)結(jié)構(gòu)中有兩種位置，并且它們存在不同的占位分布。隨著稀土離子半徑的減小，結(jié)

3、構(gòu)中的Ln3+離子傾向占據(jù)鹽巖層(RS)中的A(2)位置，而雙鈣鈦礦層(P2）中A(1)位置的Sr2+離子比重增加。這種占位分布使得SrLn2Al2O7結(jié)構(gòu)中鹽巖層(RS)的層間極化電荷隨著稀土離子半徑的減小而增加，帶來了結(jié)構(gòu)中內(nèi)應(yīng)力的增加，造成結(jié)構(gòu)中絕大部分鍵長和鍵角畸變程度增加，從而使得介電損耗增加。紅外反射光譜研究結(jié)果表明，Sr2+/Ln3+離子相對AlO6八面體的平移振動對SrLn2Al2O7(Ln=La，Nd，Sm)的介電損耗

4、和介電常數(shù)起主要的貢獻(xiàn)。材料的τf(諧振頻率溫度系數(shù)）值隨著稀土元素由La變?yōu)镾m朝正方向移動是與其介電常數(shù)增加相關(guān)的。
　　通過Sr/Ca置換形成了(Sr1-xCax) La2Al2O7和(Sr1-xCax)Nd2Al2O7固溶體，其陶瓷的燒結(jié)行為和微波介電性能得到大大改善。Ca2+離子的引入使得結(jié)構(gòu)中陽離子的占位分布都趨向理想化，降低了固溶體的自由形成能，這是其燒結(jié)行為改善的根本原因。由于在不同的固溶體中，Ca2+離子傾向占據(jù)

5、的位置是不一樣的，這使得在(Sr1-xCax)La2Al2O7和(Sr1-xCax)Nd2Al2O7固溶體中堆垛缺陷最少的成分點不相同，前者在x=0.1處，后者在x=0.5處。通過透射電鏡(TEM)分析，可以很清楚地看到這些堆垛缺陷的分布情況。致密度的提高和堆垛缺陷的減少是固溶體陶瓷Qf(品質(zhì)因數(shù)×諧振頻率）值改善的主要原因，而τf值隨著x增加朝正方向移動也是由于完全致密情況下材料的介電常數(shù)增加所致。
　　通過研究(Sr, Ca)

6、Ln2Al2O7陶瓷所處的MO-Ln2O3-Al2O3(M=Sr, Ca; Ln=La，Nd)贗三元系中其它成分的微波介電性能，又發(fā)現(xiàn)了一些具有良好微波介電性能的材料，例如CaAl2O4陶瓷。這為擴(kuò)大具有Ruddlesden-Popper結(jié)構(gòu)的MLnnAlnO3n+1(n=1，2&∞)微波介質(zhì)陶瓷材料的成分裁剪范圍和構(gòu)建具有優(yōu)異微波介電性能的復(fù)合材料提供了重要的實驗依據(jù)。
　　探索出了以下具有優(yōu)異綜合微波介電性能的新材料:

7、　　SrLn2Al2O7(Ln=La, Nd, Sm):εr=18.2～21.6,Qf=64,680～71,680 GHz，τf=-22.1～+4 ppm/℃
　　(Sr1-xCax)La2Al2O7(x=0.1～0.3):εr=19.7～20.1,Qf=135,400～110,700 GHz,τf=-18.5 ppm/℃
　　(Sr1-xCax)Nd2Al2O7(x=0.5):εr=21.2,Qf=68,200 GHz，τ