鐵電-介電體系中的調(diào)諧率反常特性研究.pdf

1、在鐵電材料中加入低介電常數(shù)、低介電損耗的線性介電材料能夠有效地降低材料的介電常數(shù)和介電損耗，以滿足微波調(diào)諧器件的性能需求。但是隨著鐵電-介電復(fù)合材料中介電成分的增加，其調(diào)諧率將會(huì)逐漸降低。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)BST-Mg2TiO4復(fù)合陶瓷的調(diào)諧率隨著Mg2TiO4含量的增加反常增加，對(duì)微波調(diào)諧應(yīng)用非常有利，但不清楚該現(xiàn)象是否普適存在，機(jī)制是什么。本文研究了鐵電-介電復(fù)合體系中調(diào)諧率的反常增加特性，通過仿真探究該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。本研究主要內(nèi)容

2、包括：
　?、攀褂霉滔喾磻?yīng)法制備了BST-Mg2TiO4、BST-Mg2TiO4-MgO和BST-Mg2SiO4-MgO鐵電-介電復(fù)合陶瓷，研究了其結(jié)構(gòu)和性能。在BST-Mg2TiO4體系中，樣品由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BST和面心立方結(jié)構(gòu)的Mg2TiO4構(gòu)成。隨著 Mg2TiO4含量從7.5wt％增加到65wt%，Ba0.45Sr0.55TiO3-Mg2TiO4樣品的介電常數(shù)從997降低到89,介電損耗在0.0014-0.0025之間，而

3、Ba0.5Sr0.5TiO3-Mg2TiO4樣品的介電常數(shù)從1128降低到136，介電損耗在0.0001-0.0013之間。當(dāng)Mg2TiO4含量從7.5wt%增加到50wt%，調(diào)諧率反常增加：Ba0.45Sr0.55TiO3-Mg2TiO4樣品在2kV/mm下的調(diào)諧率從4.4%增加到10.3%，而Ba0.5Sr0.5TiO3-Mg2TiO4樣品的調(diào)諧率從9.4%增加到16.4%。當(dāng)Mg2TiO4含量超過50wt%后，調(diào)諧率轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u降低

4、。在BST-Mg2TiO4-MgO體系中，樣品由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BST、面心立方結(jié)構(gòu)的Mg2TiO4和立方結(jié)構(gòu)的MgO構(gòu)成。當(dāng)介電成分的含量由7.5wt%增加到45wt%，樣品的介電常數(shù)從838降低到244，介電損耗保持在0.002以下，在2kV/mm下的調(diào)諧率從4.7%增加到6.5%。在BST-Mg2SiO4-MgO體系中，樣品由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BST、斜方結(jié)構(gòu)的Mg2SiO4和立方結(jié)構(gòu)的MgO構(gòu)成。隨著介電成分的含量從7.5wt%增加到65

5、wt%，樣品的介電常數(shù)由917降低到69，介電損耗保持在0.002左右。當(dāng)介電成分的含量從7.5wt%增加到55wt%時(shí)，BST-Mg2SiO4-MgO樣品在2kV/mm下的調(diào)諧率從9.7%逐漸增加到11.5%。介電成分含量進(jìn)一步增加到65wt%，調(diào)諧率降低到9.5%。因此，在BST-Mg2TiO4、BST-Mg2TiO4-MgO和 BST-Mg2SiO4-MgO三種鐵電-介電體系中都可以觀察到調(diào)諧率的反常增加現(xiàn)象。這表明該現(xiàn)象廣泛存在

6、于各種鐵電-介電體系中。根據(jù)調(diào)諧率的變化趨勢(shì)，鐵電-介電復(fù)合體系可以按組分分為三個(gè)區(qū)域：初始下降區(qū)，反常增加區(qū)和最終下降區(qū)。
　　⑵利用有限元分析軟件構(gòu)建了串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)、多層偏斜結(jié)構(gòu)和隨機(jī)顆粒分布結(jié)構(gòu)等鐵電-介電復(fù)合模型，研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響，根據(jù)電場(chǎng)分布探討調(diào)諧率反常增加的原因。串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果與理論計(jì)算一致。在多層偏斜結(jié)構(gòu)中，當(dāng)介電層的數(shù)量為1時(shí)，隨著偏斜角度由0o逐漸增加到90o，模型的介電常數(shù)單調(diào)降

7、低，而調(diào)諧率先逐漸增加，再逐漸降低。當(dāng)調(diào)諧率最大時(shí)，介電層在模型的對(duì)角線附近。模型的電場(chǎng)分布圖表明，介電層的偏斜使部分鐵電成分上受到的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，導(dǎo)致了調(diào)諧率的反常增加。當(dāng)介電層的數(shù)量分別為2和5時(shí)，隨著偏斜角度的增加，模型的介電常數(shù)單調(diào)下降，而調(diào)諧率中增長(zhǎng)峰的數(shù)量與介電層的數(shù)量相同。當(dāng)介電層的數(shù)量為10時(shí)，隨著偏斜角度的增加，模型的介電常數(shù)和調(diào)諧率均單調(diào)降低。模型的電場(chǎng)分布表明，隨著介電層數(shù)量的增加，鐵電成分上的局部電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)減弱

8、。因此，調(diào)諧率反常增加的現(xiàn)象減弱并消失。
　　⑶在Ba0.5Sr0.5TiO3-Mg2TiO4隨機(jī)顆粒仿真模型中，當(dāng)介電成分的含量逐漸增加到30vol%，調(diào)諧率逐漸增加；而當(dāng)介電成分的含量超過30vol%后，調(diào)諧率開始逐漸下降。改變仿真模型與顆粒的形狀、介電成分與鐵電成分的顆粒分布以及介電顆粒的體積大小，調(diào)諧率反常增加的現(xiàn)象始終存在。電場(chǎng)分布表明，介電顆粒改變了鐵電成分上的電場(chǎng)分布，部分鐵電成分上的電場(chǎng)強(qiáng)度高于外加電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)介電

9、成分的含量由5vol%增加到60vol%，鐵電材料上電場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)的平均電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加而增強(qiáng)區(qū)的比例逐漸減小。因此調(diào)諧率先逐漸增加，之后又逐漸降低。在(1-2x)Ba0.5Sr0.5TiO3-xMgO-xMg2SiO4鐵電-介電隨機(jī)顆粒分布模型中，當(dāng)介電成分的含量逐漸增加，介電常數(shù)單調(diào)降低。當(dāng)介電成分含量由0增加到30vol%，調(diào)諧率逐漸增加。但介電成分含量超過30vol%后，調(diào)諧率開始降低。模型的電場(chǎng)分布與Ba0.5Sr0.5TiO3-

10、Mg2TiO4模型的仿真結(jié)果相似。在50Ba0.5Sr0.5TiO3-(50-x)MgO-xMg2SiO4隨機(jī)顆粒分布模型中，當(dāng)Mg2SiO4含量從10vol%增加到40vol%時(shí)，調(diào)諧率逐漸增加。電場(chǎng)分布表明，隨著Mg2SiO4含量的增加，鐵電成分上增強(qiáng)區(qū)的平均電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加，導(dǎo)致了調(diào)諧率的增長(zhǎng)。改變模型中介電成分的介電常數(shù)，研究了鐵電成分與介電成分的介電常數(shù)差異對(duì)其介電性能的影響。仿真結(jié)果表明，無論介電成分的介電常數(shù)大于還是小于鐵