(Mg0.9 Zn0.1)2TiO4基微波介质陶瓷耐压特性的改性研究

摘要

(Mg0.9Zn0.1)2TiO4陶瓷具有较优的微波介电性能和较高的击穿场强，在微波通信和高功率脉冲系统中具有很高的研究与应用价值。但该陶瓷本身存在着谐振频率温度系数较大、烧结温度较高等缺点，在高功率脉冲系统的应用中还要求进一步提高其介电常数和击穿场强。本论文主要以(Mg0.9Zn0.1)2TiO4陶瓷为研究对象，为了改善该陶瓷的综合性能，尝试通过引入几种新的元素、改变烧结方式等手段，以期进一步改善其微波介电性能并提高击穿场强。
　　基于该陶瓷在高温烧结过程中易发生Ti4+离子变价和产生氧空位的原因，在(Mg0.9Zn0.1)2TiO4陶瓷基础上，引入了Mn元素，希望达到改善其综合性能的目的。最终合成了(Mg0.9Zn0.1)2(Ti1-xMnx)O4陶瓷（x取0.005，0.01，0.02，003），XRD结果显示该陶瓷为纯相的尖晶石结构。当x的取值为0.01时，在1450oC温度下烧结获得的(Mg0.9Zn0.1)2(Ti1-xMnx)O4陶瓷的介电性能如下：εr~14.8，tanδ~5.3×10–5(Q×f~112873 GHz)，τf~–57.8 ppm/℃。对于样品厚度与其击穿场强关系的研究表明，该陶瓷样品的击穿场强随厚度的增加呈指数式下降规律，并在样品厚度为0.2mm时，取得了高达102k V/mm的击穿场强。当样品厚度为1 mm时，其击穿场强降低至29kV/mm。通过对该陶瓷阻抗谱的研究，发现肖特基势垒并没有存在于其晶界当中。
　　在(Mg0.9Zn0.1)2(Ti1-xMnx)O4陶瓷的基础上，又引入了Ca元素，合成了(Mg0.9-yCayZn0.1)2(Ti0.99Mn0.01)O4陶瓷，以期提高该陶瓷的介电常数来满足其在高功率脉冲系统中的应用要求，并调节其谐振频率温度系数来提高温度稳定性。XRD衍射分析表明，该陶瓷是Mg2TiO4与CaTiO3两相共存状态，SEM观察显示其内部具有较多气孔。(Mg0.9-yCayZn0.1)2(Ti0.99Mn0.01)O4陶瓷（y取0.03时）在1450 ℃温度下烧结合成后，有效提高了介电常数，并获得了近零的谐振频率温度系数，获得了如下的微波介电性能：εr~15.03，Q×f~48694 GHz，τf~–8ppm/℃。而其最佳击穿场强（Eb~19kV/mm，样品厚度为1 mm）则是在1425 ℃烧结温度下获得。
　　为了进一步改善(Mg0.9-yCayZn0.1)2(Ti0.99Mn0.01)O4陶瓷的综合性能，减少缺陷的生成。研究了氧气氛下烧结对该体系陶瓷介电性能及击穿场强的影响。实验结果表明，和空气中烧结相比，氧气氛烧结下(Mg0.9-yCayZn0.1)2(Ti0.99Mn0.01)O4陶瓷（y取0.03、0.05）的微波介电性能变化不大，但是其击穿场强得到了明显提高（y=0.03时，Eb~27 kV/mm，样品厚度为1 mm）。阻抗谱分析结果显示，该陶瓷电阻率经氧气氛烧结后有了明显增大。氧气氛烧结有利于该陶瓷综合性能的提高。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1. 1 引言

1. 2 微波介质陶瓷主要性能参数

1. 3 微波介质陶瓷的发展和应用

1.4 Mg2TiO4基陶瓷材料的研究状况

1. 5 课题的提出与主要研究内容

2 实验样品的制备和性能测试

2. 1 实验原料

2. 2 样品的实验制备工艺流程

2. 3 实验样品的性能测试

3 MZTM陶瓷微波介电性能与击穿场强的研究

3. 1 引言

3. 2 实验内容与性能测试方法

3. 3 MZTM陶瓷物相成份分析

3. 4 MZTM陶瓷微观形貌分析

3. 5 MZTM陶瓷微波介电性能与击穿场强

3.6 测试样品厚度对MZTM陶瓷击穿场强的影响

3. 7 MZTM陶瓷的阻抗谱数据分析

3. 8 本章小结

4 MCZTM陶瓷微波介电性能与击穿场强的研究

4. 1 引言

4. 2实验内容与性能测试方法

4.3 MCZTM 陶瓷物相成分分析

4.4 MCZTM陶瓷微观形貌分析

4.5 MCZTM陶瓷的微波介电性能与击穿场强

4.6 MCZTM陶瓷的阻抗谱数据分析

4. 7 本章小结

5 氧气氛烧结对MCZTM陶瓷材料性能的影响

5. 1 引言

5. 2 实验内容与性能测试方法

5. 3 不同气氛下烧结MCZTM陶瓷物相成份分析

5.4 不同气氛下烧结MCZTM陶瓷微观形貌分析

5. 5 不同气氛下烧结MCZTM陶瓷的微波介电性能与击穿场强

5. 6 不同气氛下烧结MCZTM陶瓷的阻抗谱数据分析

5. 7 本章小结

6 总结与展望

6. 1 全文总结

6. 2 展望

致谢

参考文献

附录I 攻读硕士学位期间取得的学术成果