SrLa(R0.5Ti0.5)O4(R=Zn,Mg)微波介质陶瓷及微波介质材料τf的测试误差

摘要

具有n=1时Ruddlesden-Popper结构的MLnAlO4(M=Ba，Ca，Sr; Ln=La，Nd，Sm，Y)层状钙钛矿由简单钙钛矿层和岩盐层以1∶1比例沿c轴堆垛而成，其陶瓷材料具有优良的微波介电性能，在微波通信器件中有着潜在的应用价值。另一方面，异价离子共同占据ABO3钙钛矿结构氧八面体中心位置的复合钙钛矿A(B1，B2)O3则是电子陶瓷材料的重要成员。本论文使用异价离子R2+(R=Zn，Mg)和Ti4+共同取代SrLaAlO4中的Al3+，系统研究了SrLa(R0.5Ti0.5)O4(R=Zn，Mg)复合层状钙钛矿陶瓷的制备、相组成、微结构及微波介电性能。通过固相反应法制备了致密的SrLa(R0.5Ti0.5)O4(R=Zn，Mg)单相陶瓷，属于I4/mmm空间群，结构精修表明在这种复合层状钙钛矿陶瓷中，(R0.5Ti0.5)3+完全占据氧八面体中心位置，对层间极化和许容因子产生重要影响。由于异价离子(R0.5Ti0.5)3+的引入，使得平均离子半径增加，导致钙钛矿层和岩盐层的匹配程度降低;同时结构许容因子减少，结构的稳定性降低，从而产生内应力，使得介电损耗增加。由于介电常数正比于离子的极化率，(R0.5Ti0.5)3+离子极化率明显高于Al3+，介电常数得到显著提升，同时谐振频率的温度系数从负值变为正值。分别在1400℃和1575℃烧结SrLa(Zn0.5Ti0.5)O4和SrLa(Mg0.5Ti0.5)O4时，得到如下最佳优良性能:εr=29.4，Qf=34,000 GHz,τf=+38 ppm/℃;εr=25.5,f=72,000 GHz，τf=+29 ppm/℃。将具有正τf值的SrLa(R0.5Ti0.5)O4(R=Zn，Mg)与具有负τf值的SrLaAlO4形成固溶体，有望得到谐振频率温度系数近零的材料。
　　低损耗微波介质材料的关键性能参数包括相对介电常数εr，Qf和谐振频率温度τf。出于测试精度的考虑，通常用平行板法评价εr和τf;用谐振腔法评价Qf。近年来，计算机计算能力的快速提升使得用金属谐振腔法精确评价εr成为可能，并已出现仅用这种方法评价以上三个参数的趋势。实际上，低损耗微波介质材料的τf（τf,s）定义为均匀填充这种材料的理想谐振系统的谐振频率温度系数，而测试时均处理为非理想谐振系统的τf（τf,r）。本文借助有限单元分析，主要讨论了用谐振腔法测试的误差。金属谐振腔法的测试误差主要来源于腔体、支撑物、电能填充因子等因素，测试误差通常为几ppm/℃，且测试误差随着样品介电常数的减小而增加。同时，采用具有低热膨胀系数的腔体材料来减少测试误差的方法并不可靠。而平行板法的测量误差则远小于金属谐振腔法，通常在1ppm/℃以内。因此，若将样品的τf,s视为非理想谐振系统的τf,r，建议使用平行板法测试τf,s，这一点在试样介电常数较低或对测试精度要求较高时尤为重要。如果使用谐振腔法测试τf,s，则必须结合数值计算以提高测试精度。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微波介质陶瓷

1．2．1 应用背景和发展历史

1．2．2 微波介质响应机制及原理

1．2．3 微波介电陶瓷的性能指标

1．2．4 微波介质陶瓷体系及其发展趋势

1．3 钙钛矿及类钙钛矿微波介质陶瓷

1．3．1 简单钙钛矿陶瓷

1．3．1 复合钙钛矿陶瓷

1．3．2 层状钙钛矿陶瓷

1．4 微波介电性能的评价方法

1．5 课题的提出与研究内容

第二章 复合层状钙钛矿SrLa(R0．5Ti0．5)O4(R=Zn，Mg)陶瓷的微波介电性能

2．1 前言

2．2 试样制备和测试

2．2．1 试样制备过程

2．2．2 陶瓷样品致密度的测试

2．2．3 相组成和微结构分析

2．2．4 微波介电性能测试

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 烧结特性相组成和微结构

2．3．2 结构精修

2．3．3 拉曼光谱分析

2．3．4 微波介电性能

2．4 MLnBO4陶瓷中K2NiF4型层状钙钛矿结构的稳定性

2．4．1 结构稳定性与钙钛矿层许容因子的关系

2．4．2 结构稳定性与M2+、Ln3+、B3+离子半径对比的关系

2．5 结论

第三章 谐振腔法测试微波介电材料的谐振频率温度系数的误差

3．1 前言

3．2 实验过程

3．3 理论计算

3．4 结果与讨论

3．5 结论

第四章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间发表的学术论文及取得的其他科研成果