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微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料,并完成一种或多种功能的陶瓷,是近几十年发展起来的一种新型电子材料,它具有较低的微波介质损耗,高的介电常数和接近于零的谐振频率温度系数等特点。这几年来,微波介质陶瓷的研究十分的活跃,已经成为目前功能陶瓷领域的研究热点之一。
本论文从微波介质陶瓷的研究背景、发展状况、基本特征、制备技术以及介电性能测试表征等方面对微波介质陶瓷材料进行了系统地综述。在此基础上,提出了以BaO-Y2O3-TiO2系列为主要研究对象,系统深入地研究了包括材料的配方、制备工艺以及掺杂等对微波介电性能的影响,制备出了性能良好的微波介质陶瓷材料。
首先研究了不同配方BaO-Y2O3-kTiO2系微波介质陶瓷的性能变化,发现不同的k(k=3,4,4.5,5)值下BaO-Y2O3-kTiO2系列陶瓷的介电常数随k值的增大逐渐的降低,同时损耗也相应降低,在k=3时有较高材料的介电常数εr=331,但是相应的介电损耗也较大tanδ=0.024,k=4时介电常数εr=78.3, 介电损耗tanδ=3×10-3,当k=5时候介电常数进一步减小到εr=53,tanδ=9×10-4。同时频率温度系数随着k值增大由τf=-280ppm/℃增大到τf=95ppm/℃。
在配方研究的基础上选择了介电常数较高、损耗较低的BaO-Y2O3-4TiO2、BaO-Y2O3-5TiO2两组配方作为进一步研究的对象,研究了不同预烧温度和烧结保温时间对微波介质陶瓷材料性能的影响,发现不同的预烧温度对陶瓷的相组成基本没有什么影响,陶瓷主晶相都为烧绿石结构的Y2T2O7;并且在一定的温度范围内改变预烧温度对材料介电常数的影响不大。但是烧结保温时间对陶瓷材料的显微结构及微波介电性能有重要的影响,随着保温时间的延长,陶瓷中残余的气孔逐渐被排除,晶粒逐渐长大,致密性进一步的提高,陶瓷的介电常数也有所增大。
BaO-Y2O3-4TiO2系列陶瓷在1240℃下保温2~16h,εr由76.6增加到了79.5,BaO-Y2O3-5TiO2系列在1240℃下保温2~16h,εr由52增加到53.5。同时介电损耗随着保温时间的延长也有较大的改善。BaO-Y2O3-4TiO2系列在保温时间为8h时介电损耗最佳tanδ=1.2×10-3,BaO-Y2O3-5TiO2系列在保温时间为8h时介电损耗最小tanδ=2×10-4。
最后对BaO-Y2O3-4TiO2 、BaO-Y2O3-5TiO2系陶瓷物相分析结果表明,这两个系列陶瓷的主晶相有别于BaO-R2O3-TiO2(R=Nd,Sm,La),BaO-Y2O3-TiO2系陶瓷的主晶相为烧绿石结构的Y2T2O7,而不是类乌青铜结构的相,因此本论文合成了Y2Ti2O7,并对其微波介电性能进行了研究,发现Y2Ti2O7具有较好得微波介电性能,但其烧结温度较高、谐振频率温度系数较大。因此本文还通过掺杂Bi2O3来进一步改善其微波介电性能,并获得了介电常数为82,介电损耗tanδ=5×10-4的(Bi0.2Y0.8)Ti2O7微波介质陶瓷。同时通过复合ZnNb2O6后得到的ZnNb2O6 -Y2T2O7陶瓷也具有良好的微波介电性能。