CaO-LiO-SmO-TiO微波介质陶瓷制备与介电性能研究

摘要

微波介质陶瓷是一种新型的信息材料。本实验制备CaO-Li2O-Sm2O3-TiO2微波介质陶瓷，期望获得谐振频率温度系数较小的材料。对材料的相组成与断面微观形貌采用XRD与SEM进行分析，介电常数、品质因数、谐振频率温度系数均在微波频率下测得。以此来研究材料的相组成、微观形貌、化学组分、烧结工艺与介电性能之间的关系。
　　 xCaTiO3-(1-x)(Li1/2Sm1/2)TiO3 通过固相法制得。该系预烧粉体形成了钙钛矿结构。陶瓷的晶胞体积与Li+、Sm3+的含量呈负相关关系。Li+、Sm3+的含量越多，陶瓷介电常数越低，实验获得介电常数ε：81～149；Li+、Sm3+的含量增加，介电损耗增大，品质因数Qf：2489～4895GHz；Li+、Sm3+的含量增加，谐振频率温度系数τf由正值向负值移动。该系陶瓷介电常数随烧结温度升高而降低；介电损耗随烧结温度升高，先减小后增大，品质因数在烧结温度范围存在极大值；随烧结温度升高，谐振频率温度系数减小。对介电性能的优化组成点研究发现：当x=0.26时，获得较优介电性能：介电常数ε=101，品质因数Qf=3399GHz，谐振频率温度系数τ?=8ppm/℃。
　　 0.3CaTiO3-0.7[Li0.5(Sm1-xNdx)0.5]TiO3 由前驱体法制得。Nd3+的加入成功提高了介电常数，ε：109～126；降低了谐振频率温度系数，τf：-14～16ppm/℃；但介电损耗却随之增大，即品质因数降低，Qf：3530～2313GHz。随烧结温度升高，介电常数降低，介电损耗增大，谐振频率温度系数减小。当烧结温度为1360℃，x=0.4时，样品可获得较优性能：介电常数ε=118，品质因数Qf=3068GHz，谐振频率温度系数τf=5ppm/℃。
　　 16CaO–9Li2O–12Sm2O3–63TiO2 通过固相法制得。对其预烧粉体进行XRD分析发现，相组成中存在Sm2Ti2O7（焦绿石相）；随预烧温度升高，陶瓷致密度提高；烧结陶瓷结构主晶相为钙钛矿，随预烧温度升高，杂相金红石型TiO2 减少，增至1150℃，陶瓷相组成趋于单一的正交钙钛矿。在1340℃时烧结，可获得如下介电性能：介电常数ε=112，品质因数Qf=2535GHz，谐振频率稳定系数τf=52ppm/℃。