Zr0.8Sn0.2TiO4微波介质陶瓷材料制备及性能调控

摘要

Zr0.8Sn0.2TiO4微波介质陶瓷(ZST)具有较高的烧结温度且难以烧结致密，严重制约了其在工业生产中的实际应用。本文围绕降低ZST陶瓷的烧结温度并改善其介电性能两个目标，探索不同离子掺杂对陶瓷结构的影响机理，提出了优化性能的具体方案。
　　本文通过热分析以及样品烧成后的性能对比探索ZST陶瓷合适的预烧工艺，确定ZST体系的最佳预烧工艺为1150℃预烧2h。在预烧粉体中掺杂不同价态以及半径的Cu2+、Zn2+、Bi3+，探究离子掺杂对于ZST陶瓷低温烧结的影响，从致密度、结构、相成分、微观组织形貌、微波介电性能、热分析等方面进行分析。半径相近的阳离子掺杂后，进入ZST的晶格，从而造成氧八面体畸变并影响其有序度；同时有低温第二相生成，降低ZST陶瓷的烧结温度。Cu2+、Zn2+、Bi3+掺杂分别将样品烧结温度降至1075，1175，1200℃。但ZST陶瓷性能均有不同程度的恶化，其中掺杂Zn2+的ZST体系的性能恶化程度最低，其最佳性能点为εr=39.58，Q?f=32850GHz，τf=-9.8ppm/℃。
　　在确定了ZnO作为合适的助烧剂后，选取Sm2O3/ACO3(A=Ba, Sr, Ca, Mg)对ZST陶瓷体系进行掺杂改性，探究稀土离子以及碱土离子对于ZST陶瓷性能影响的机理。掺杂后，陶瓷主晶相仍为ZST相。Ba2+、Sr2+、Ca2+进入晶格间隙，Sm3+，Mg2+发生阳离子取代，Sm3+与碱土离子共同作用对其晶体结构产生影响。Ba2+掺杂后生成 Ba2TiO4晶界析出。掺杂1wt％Sm2O3/1.5wt%SrCO3的Zr0.8Sn0.2TiO4陶瓷在1350℃烧结2h性能最佳，为：εr=44.7，Q?f=56547.6GHz，τf=4.1ppm/℃。
　　采用HFSS仿真，以Zr0.8Sn0.2TiO4微波介质陶瓷为介质层，设计了中心频率为2.45GHz的矩形微带贴片天线。其中心频率受贴片长度的影响较大，进行优化设计后得到了满足使用要求的回波损耗和驻波比。优化后的天线谐振点在2.45GHz，贴片长度为8.60mm，宽为13.42mm。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 微波介质陶瓷与微波通信

1.2 微波介质材料发展历史

1.3 微波介质陶瓷性能指标

1.4典型微波介质陶瓷体系

1.5 (Zr1-xSnx)TiO4微波介质陶瓷

1.6 本文的研究内容与目的

第二章 Zr0.8Sn0.2TiO4微波介质陶瓷的制备及表征

2.1 实验样品制备原料及设备仪器

2.2 实验样品制备工艺

2.3测试与分析

第三章 ZST微波介质陶瓷的低温烧结及微波介电性能研究

3.1 预烧工艺对于陶瓷烧结和晶相合成的影响

3.2 ZST体系微波介质陶瓷的低温烧结

3.3 离子掺杂对ZST晶体结构影响

3.3本章小结

第四章:Sm2O3/ACO3(A=Ba, Sr, Ca, Mg)掺杂改性ZST微波介质陶瓷

4.1 前言

4.2 Sm2O3/ACO3(A=Ba, Sr, Ca, Mg)掺杂ZST微波介质陶瓷的烧结特性

4.3 Sm2O3/ACO3(A=Ba, Sr, Ca, Mg)掺杂ZST微波介质陶瓷的物相分析

4.4 Sm2O3/ACO3(A=Ba, Sr, Ca, Mg)掺杂ZST微波介质陶瓷的微观形貌

4.5 Sm2O3/ACO3(A=Ba, Sr, Ca, Mg)掺杂ZST微波介质陶瓷的微波介电性能

4.5本章小结

第五章 ZST陶瓷在微带天线上的应用

5.1 引言

5.2 微带天线设计

5.3本章小结

总结

6.1本文主要结论

6.2 本文主要创新点

6.3 本文不足之处

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文