SrRAlO4(R-La,Nd,Sm)基陶瓷的结构与微波介电性能

摘要

具有K2NiF4结构的MRAl04(M=Sr,Ca;R=La,Nd,Sm)陶瓷微波介电性能优异,且制备容易、成本低,在微波高端和毫米波元件中有着十分重要的潜在应用。本文系统地研究了SrRAlO4陶瓷的成分、晶体结构、微结构对微波介电性能的影响规律,探索了其性能优化的途径。得到如下主要结论:
　　 成分剪裁对SrSmAlO4陶瓷的相组成、微结构和微波介电性能有着重要的影响。名义组成为Sr1+xSm1-XAlO4-x/2的陶瓷主晶相为K2NiF4结构,同时含有少量随x值变化的第二相。当x＞0时,第二相为Sr2.25Sm0.75AlO4.875,而当x＜0时,第二相为SrSm2Al2O7。不同的第二相和微结构对微波介电性能有着不同的影响,化学计量成分对于保证最佳Qf值至关重要。
　　 Sr/Ti协同置换影响SrSmAlO4陶瓷的层间极化和结构许容因子。随着置换量的增大,层间极化效应减弱,有利于Qf值的提高,而结构稳定性降低,对Qf值有负面影响。过大的A位离子半径差(Sr2+/Sm3+:1.31(A)/1.132(A))导致岩盐层内的内应力增大,最终导致Qf值的下降。HRTEM和SAED观察表明晶格畸变随着x值的增大而增大。
　　 利用XRD数据Rietveld结构精修、拉曼光谱和红外反射光谱分析,研究了Sr1+xSm1-xAl1-xTixO4(x=0,0.05,0.10,0.15)陶瓷的精细结构变化,发现Sr/Sm-O(2b)和Al/Ti-O(2)键在x=0.10到0.15处有反常的变化。这一反常变化导致额外的内应力,致使Qf在x=0.10到0.15处显著下降,表明Qf值对沿着c轴方向离子排列引起的结构变化敏感。
　　 通过Ca2+置换Sr2+形成固溶体的方法,合成了具有K2NiF4结构的(Sr1-xCax)SmhlO4(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1.0)陶瓷,其Qf值获得显著改善。红外反射光谱的拟合分析揭示,A位离子半径差减小使得本征损耗降低。同时,A位离子所处的十二面体结构通融性较好,减小了固溶体中的微结构不均匀,从而降低了非本征损耗.此外,Ca2+的加入削弱了Sr-O键的强度,使得谐振频率温度系数τf变得更负。
　　 在0≤x≤1范围内合成了具有:K2NiF4结构的(1-x)SrLaAlO4-xSr2TiO4固溶体陶瓷。随着x值的增大,由于Ti4+具有高的极化率,相对介电常数从17.6增加到31.0。同时,Ti4+长程耦合作用的增加导致了谐振频率温度系数τf从-32 ppm/℃变到122 ppm/℃。层间失配和层间极化的相互竞争作用导致Qf值的变化趋势先小幅上升而后下降,而x=0.2附近的Qf值异常下降与微区成分不均和起伏有关。透射电镜微区分析发现微区成分不均和起伏导致的品格畸变,这与固溶体形成过程中产生较大正混合焓有关。
　　 研究出了以下具有良好综合微波介电性能的材料:
　　 1)(Sr1-xCax)SmAlO4(x=0.7):εr=18.7,Qf=125,100 GHz,τf=-9.7 ppm/℃;
　　 2)(1-x)SrLaAlO4-xSr2TiO4(x=0.4):εr=18.5,Qf=95,000 GHz,τf=-8.9ppm/℃。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 微波介质陶瓷

I.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 微波介质陶瓷性能指标及调控

1.2.4 微波介质陶瓷体系及发展趋势

1.3 K2NiF4结构材料

1.4 课题的提出与研究内容

第二章 成分剪裁对SrSmAlO4陶瓷的结构与微波介电性能的影响规律

2.1 前言

2.2 试样制备与测试

2.2.1 陶瓷样品的制备

2.2.2 样品致密度测量

2.2.3 相组成和微结构

2.2.4 微波介电性能评价

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 烧结特性、相组成与微结构

2.3.2 微波介电性能

2.4 结论

第三章 Sr/Ti协同置换对SrSmAlO4陶瓷的结构与微波介电性能的影响规律

3.1 前言

3.2 试样制备与测试

3.3 透射电镜样品的制备

3.4 实验结果与讨论

3.4.1 相组成与晶体结构

3.4.2 微结构分析

3.4.3 微波介电性能

3.5 结论

第四章 Sr1+xSm1-xAl1-xTiO4陶瓷的结构精修与拉曼、红外光谱研究

4.1 前言

4.2 试样制备与测试

4.3 红外反射光谱的拟合原理

4.4 实验结果与讨论

4.4.1 XRD结构精修

4.4.2 晶格振动模对称性分类

4.4.3 拉曼光谱

4.4.4 红外反射光谱

4.4.5 本征损耗讨论

4.5 结论

第五章(Sr1-xCax)SmAlO4陶瓷的结构、微波介电性能与红外光谱分析

5.1 前言

5.2 试样制备与测试

5.3 实验结果与讨论

5.3.1 烧结特性、相组成与晶体结构

5.3.2 红外反射光谱拟合

5.3.3 微波介电性能

5.4 结论

第六章(1-x)SrLaAlO4-xSr2TiO4陶瓷的结构与微波介电性能

6.1 前言

6.2 试样制备与测试

6.3 实验结果与讨论

6.3.1 烧结特性、晶体结构与微结构

6.3.2 微波介电性能

6.4 结论

第七章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果