Li2ZnTi3O8微波介質(zhì)陶瓷的制備及介電機(jī)理研究.pdf

1、隨著低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的廣泛使用，研究與制備低成本、低燒結(jié)溫度、中高介電常數(shù)、低損耗、近零諧振頻率溫度系數(shù)、且與金屬電極燒結(jié)匹配的新型微波介質(zhì)陶瓷成為人們研究的熱點(diǎn)。本文選擇燒結(jié)溫度較低的Li2ZnTi3O8微波介質(zhì)陶瓷作為研究對(duì)象，利用X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器系統(tǒng)地研究了制備方法（固相合成法和熔鹽法）、燒結(jié)工藝（常規(guī)固相燒結(jié)法和反應(yīng)燒

2、結(jié)法）、相組成、微觀結(jié)構(gòu)和微波介電性能之間的內(nèi)在關(guān)系，并探討了其介電機(jī)理，最終制備出微波介電性能優(yōu)異的Li2ZnTi3O8微波介質(zhì)陶瓷，并實(shí)現(xiàn)其低溫?zé)Y(jié)。
　　首先研究了常規(guī)固相燒結(jié)工藝對(duì)Li2ZnTi3O8陶瓷結(jié)構(gòu)和微波介電性能的影響規(guī)律，并探討了分子極化率、原子堆積密度、Ti元素價(jià)態(tài)、鍵價(jià)和鍵能等微觀結(jié)構(gòu)與宏觀微波介電性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。最終確定了Li2ZnTi3O8陶瓷的最佳燒結(jié)工藝參數(shù)，預(yù)燒溫度、燒結(jié)溫度和升溫速率分別為9

3、00℃、1075℃和3℃/min，此時(shí)陶瓷的綜合微波介電性能最佳：εr=26.6，Q×f=83563GHz，ηf=-12.4ppm/℃。
　　對(duì)Li2ZnTi3O8陶瓷的晶格振動(dòng)模式進(jìn)行了分類和標(biāo)定，并研究了陶瓷晶格振動(dòng)與微波介電性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。Li2ZnTi3O8陶瓷的εr和Q×f值分別與其拉曼光譜中A1g(1)模的位移和半峰寬有關(guān)。通過阻抗譜等技術(shù)得到了室溫下Li2ZnTi3O8陶瓷電導(dǎo)率與介電損耗頻率頻譜，并討論了不同頻

4、率范圍內(nèi)Li2ZnTi3O8陶瓷的介電損耗機(jī)制。
　　采用熔鹽法制備了Li2ZnTi3O8陶瓷，并詳細(xì)研究了熔鹽類型對(duì)材料的燒結(jié)特性、顯微組織和微波介電性能的影響規(guī)律。對(duì)比常規(guī)固相燒結(jié)法，利用NaCl-KCl、LiCl和ZnCl2熔鹽均能制備出粒度較小、表面活性高的Li2ZnTi3O8粉末，并能有效降低陶瓷粉末合成溫度和陶瓷的燒結(jié)溫度，但同時(shí)會(huì)不同程度地降低陶瓷的微波介電性能。當(dāng)熔鹽為ZnCl2、預(yù)燒溫度為600℃時(shí)，Li2ZnT

5、i3O8陶瓷致密化溫度為975℃，此時(shí)其具有相對(duì)較好的微波介電性能：εr=26.68，Q×f=67724 GHz，ηf=-11.5 ppm/℃。
　　研究了反應(yīng)燒結(jié)工藝對(duì)Li2ZnTi3O8陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、有序-無序相變和微波介電性能的影響規(guī)律，并探討了其有序-無序相變對(duì)其顯微組織形貌和Q×f值的作用機(jī)理。隨著反應(yīng)燒結(jié)溫度從975℃升高至1075℃，陶瓷中Li2ZnTi3O8會(huì)從有序相轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序相，導(dǎo)致晶粒形貌從等軸狀轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆叫?/p>

6、，其Q×f值明顯減小。經(jīng)1025℃保溫6h反應(yīng)燒結(jié)所得Li2ZnTi3O8陶瓷具有致密的顯微組織和較優(yōu)的微波介電性能：εr=25.8，Q×f=77100 GHz，ηf=-12.4 ppm/℃。
　　研究了B2O3、Bi2O3、ZnO-B2O3-SiO2玻璃及ZnO-La2O3-B2O3玻璃四種燒結(jié)助劑對(duì)Li2ZnTi3O8陶瓷相組成、燒結(jié)特性和微波介電性能的影響。四種燒結(jié)助劑均能顯著降低Li2ZnTi3O8陶瓷的燒結(jié)溫度至925℃

7、左右，其低溫?zé)Y(jié)機(jī)制主要為液相助燒和缺陷活化燒結(jié)機(jī)制。當(dāng)摻入助燒劑后，陶瓷的εr、Q×f值和ηf值均為相應(yīng)地發(fā)生變化，這主要與第二相及助燒劑自身特性相關(guān)?？偟膩碚f，Bi2O3和ZnO-La2O3-B2O3玻璃助燒劑使陶瓷Q×f值的降低幅度較大，而B2O3和ZnO-B2O3-SiO2玻璃對(duì)其Q×f值的影響相對(duì)較小。當(dāng)B2O3添加量為1.0wt％時(shí)，Li2ZnTi3O8陶瓷經(jīng)925℃燒結(jié)后具有良好的微波介電性能：εr=24.96，Q×f=4

8、9600GHz，ηf=-11.3ppm/℃。當(dāng)ZBS添加量為0.75 wt%時(shí)，Li2ZnTi3O8陶瓷經(jīng)925℃燒結(jié)后具有較優(yōu)的微波介電性能：εr=25.61，Q×f=51615GHz，ηf=-11.78ppm/℃。
　　研究了CaTiO3、Ba3(VO4)2和Li2TiO3復(fù)合摻雜對(duì)Li2ZnTi3O8+0.75wt%ZBS陶瓷的燒結(jié)特性和微波介電性能的影響規(guī)律。研究表明，CaTiO3使陶瓷Q×f值的降低幅度較大，Ba3(VO

9、4)2和Li2TiO3均能明顯改善陶瓷的Q×f值。當(dāng)采用Ba3(VO4)2復(fù)合摻雜時(shí)，陶瓷相組成中會(huì)出現(xiàn)少量低熔點(diǎn)的Zn3(VO4)2和LiZnVO4雜相，這會(huì)進(jìn)一步降低其燒結(jié)溫度，并提高其相對(duì)密度，從而對(duì)其Q×f值略有提高。0.85Li2ZnTi3O8-0.15Ba3(VO4)2+0.75wt%ZBS陶瓷經(jīng)850℃燒結(jié)4h后得到了較優(yōu)異的微波介電性能：εr=22.30，Q×f=53966GHz，ηf=-2.40ppm/℃。Li2TiO

10、3復(fù)合摻雜雖然不利于陶瓷的致密化燒結(jié)，但會(huì)顯著提高其Q×f值，這與Zn2+進(jìn)入Li2TiO3晶格使其有序疇尺寸減小并能起到穩(wěn)定晶界的作用相關(guān)。當(dāng)ZBS添加量為1.0 wt%時(shí)，0.6Li2ZnTi3O8-0.4Li2TiO3陶瓷經(jīng)900℃燒結(jié)后具有較好的微波介電性能：εr=25.4，Q×f=86400GHz，ηf=-1.0ppm/℃，且與Ag具有良好的化學(xué)兼容性，有望作為一種新型的LTCC陶瓷用于制作多層微波器件。
　　研究了離子

11、取代對(duì)Li2ZnTi3O8陶瓷結(jié)構(gòu)和微波介電性能的影響機(jī)理。結(jié)果表明，Co2+微量取代可以明顯提高Li2ZnTi3O8陶瓷的Q×f值，但Co2+取代量較大時(shí)其Q×f值會(huì)逐漸降低，這與其原子堆積密度密切相關(guān)。Ni2+微量取代時(shí)，Li2Zn1-xNixTi3O8陶瓷的Q×f值與其原子堆積密度變化趨勢(shì)相反，這是由于Ni2+離子會(huì)增加材料的電子電導(dǎo)導(dǎo)致的。隨著Sn4+取代量的增大，Li2Zn(Ti1-xSnx)3O8陶瓷的Q×f值先增大后減小，