钛酸锌锂系陶瓷制备及介电性能研究文献综述

 2021-09-25 08:09

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文 献 综 述

1. 简介

微波介质陶瓷[1-2]（MWDC）是近几十年发展起来的-种新型电子材料。广泛应用于微波技术的许多领域，如移动电话、卫星广播、无线电遥控等。它具有低损耗、低温度系数、低热膨胀系数等优点。在谐振器、滤波器等器件中采用这种材料，可解决体积过大的问题。此外，MWDC不仅成本低，而且还可以通过改变粉体配方及工艺来达到改性目的，从而实现微波设备的小型化、高性能化和廉价化。微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是现代通讯中广泛使用的谐振器、滤波器、介质基片、介质导波回路等微波元器件的关键材料[3-5]。介质滤波器在光通信中也是必不可少的电子器件。例如，利用光缆传送的光信号必须经过光接收器才能转换为所能接受的电信号。微波介质谐振器与金属空腔谐振器相比，具有体积小、质量轻、温度稳定性好、价格便宜等优点。目前，微波介质陶瓷发展十分迅猛，已在便携式移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接受器、军事雷达及全球卫星定位系统(GPS)等方面有着十分重要的应用，在现代通讯工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用[6-7]。

在1939年，B. Q Richtmeyer从理论上提出T介质陶瓷材料可作谐振器的设想后，美国率先开始了微波介质陶瓷材料的研制。以后随着微波应用范围的拓广，F JA须满足特殊频段使用要求的微波介质陶瓷材料[8]。现在，移动通信用εr≥60的材料和毫米波、亚毫米波回路集成化的介质波导线路用εr≤30的材料，正成为世界性的研究热点和难点。

通常，微波陶瓷陶瓷材料中存在两种损耗：本征损耗和非本征损耗，其中非本征损耗和材料的结构有关，而与材料的制备过程和显微结构无关；而非本征损耗主要取决于晶格的缺陷，如空位、杂质、结构无序、气孔或第二相存在。掺杂对材料介电损耗可以分为两种：若杂质离子进入晶格形成了固容体，由于晶格离子同杂质离子的非简谐作用，会导致材料的本质损耗显著增加；如果形成了新的晶相，则材料的损耗则是由几个相的损耗共同作用的结果，材料的εr值也是由几个相的εr的值共同作用的结果。本实验研究的是添加剂对Li2ZnTi3O8系陶瓷性能的影响，要解决的问题是，通过对Li2ZnTi3O8陶瓷加入添加料的不同加入量，来降低其烧结温度，扩大其烧结范围，并进行材料的改性，以获得致密度高介质损耗小的微波介质陶瓷，使Li2ZnTi3O8陶瓷更好的应用于大批量生产。Li2ZnTi3O8正常烧结时，介质损耗不会增加太大。而随着添加料引入量的增加，材料的气孔率也增加，同样也会降低陶瓷的相对介电常数[9-11]。

Li2ZnTi3O8陶瓷具有良好的微波介电性能εr = 25.6, Qf = 72000 GHz, τf = -11.2 ppm / ℃[12]。此外，Li2ZnTi3O8陶瓷有很多优点如低原材料成本、低烧结温度和低比商用陶瓷体积密度。尽管纯Li2ZnTi3O8陶瓷在1075 ℃下基本上可以达到烧结密度，但是为了使它可以与Ag电极共烧有必要减少Li2ZnTi3O8陶瓷的烧结温度至约900℃。一般来说,通过添加玻璃的液相烧结是最好的方法来降低陶瓷的烧结温度且这种方法得到的陶瓷的微波介电性能好[10]。

实验方法：采用固相反应法，分别将ZnO，Li2CO3和TiO2原料粉末按照一定比例混合、预烧、粉碎后再球磨、过筛、造粒、然后压片成型、最后烧结成瓷、其中预烧温度900℃,保温4h[13]；烧结温度为860℃，保温时间4h。分别加入不同的添加剂进行对 Li2ZnTi3O8系陶瓷性能的改行研究，在860℃进行烧结，保温4h后研究性能。

在工艺方面,采用高致密成型技术、特种烧结技术等先进工艺，可提高材料的致密性，使微波介质材料损耗得以降低，使εr上升。使用超微细粉料，可提高材料组成与结构的均匀性，改善材料的 Q 值和频率温度系数。随着高频带应用技术的发展，实现微波设备的数字化，个人通信系统小型化、集成化，希望研制出更多的优质微波介质陶瓷材料。因而有许多待开发的微波介质陶瓷材料新领域、新性能。我们相信随着材料科学的迅速发展，陶瓷材料的新性能、新应用不断被人们所认识和开拓，陶瓷材料在现代科学技术中的地位会日益提高[14]。

2.1合成

通过常规固态陶瓷途径基于Li2ZnTi3O8的化学计量成分制备。以 ZnO，Li2CO3和TiO2粉末为原料。将粉末称重，根据所需的摩尔比并在混料机上混料24小时。混料完成后，将混合物在900℃下煅烧4小时，随后研磨和过筛。再将过筛后的粉料加入重量比为1:5的氧化锆小球研磨12小时，过后过筛将小球取出得到陶瓷的主料。取出每10g主料为一份加入一定量确定的添加料，造粒、压片在860℃下烧结4小时。取出烧结完成后的产品进行性能测试确定最佳的添加料的种类，再在这种添加料的基础上改变添加的比例及添加量，确定最佳配方。

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