CaTi(1-1.25x)NbxO3、SrTi(1-1.25x)NbxO3、(Sr,Ca)Ti(1-1.25x)NbxO3陶瓷的制备及性能研究

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近年来,随着通信信息量的迅猛增加,以及国家对第五代移动通信技术(5G)的发展计划的提出,微波通讯技术得到了快速的发展。微波介质材料作为微波通信技术的关键材料,人们对其介电性能也提出了更高的要求。钙钛矿结构的SrTiO3、CaTiO3和(Sr,Ca)TiO3都有很高的介电常数(εr=170~300),因而它们在微波通信等领域都有广泛的应用。然而它们的Q×f值普遍都不高(1000GHz~7000GHz)之间,在与低εr高Q的陶瓷复合时,它们往往会降低整个复合体系整体的Q×f值。本文以Nb2O5为掺杂剂,采用传统固相烧结法制备了CaTi(1-1.25x)NbxO3、SrTi(1-1.25x)NbxO3陶瓷,及Sr/Ca不同比例的(Sr1-xCax)TiO3新型陶瓷,并同时对Sr/Ca=7∶3的(Sr0.7Ca0.3)Ti(1-1.25x)NbxO3陶瓷进行了Nb5+离子按化学计量比掺杂改性,利用XRD,SEM及微波介电测试等研究方法,系统地分析了CaTi(1-1.25x)NbxO3、SrTi(1-1.25x)NbxO3,(Sr1-xCax)TiO3和(Sr0.7Ca0.3)Ti(1-1.25x)NbxO3陶瓷的相组成,微观结构和介电性能,并与按质量百分比掺杂Nb2O5的SrTiO3陶瓷、CaTiO3陶瓷的介电性能做了比较。  研究表明,CaTi(1-1.25x)NbxO3陶瓷随着Nb5+离子含量的增多,陶瓷的体积密度越来越低,而在整个x范围内(x=0~0.004),其物相均呈现单一的钙钛矿相,XRD衍射谱随x的增加并没有明显的偏移发生,其平均晶粒尺寸得到了很大的提高,但同时气孔的数量也在逐渐增加。而CaTi(1-1.25x)NbxO3的介电常数(εr)由176.93下降到138.84,Q×f值呈先增大后减小的趋势,在x=0.002时,Q×f值达到最大值11280GHz。  SrTi(1-1.25x)NbxO3陶瓷在x=0~0.009范围内也都呈现单一的锶钛矿相,在x≤0.005时,其体积密度呈现基本不变的趋势,平均晶粒尺寸逐渐增大,XRD衍射谱也没有发生偏移现象,但x≥0.005后,体积密度和平均晶粒尺寸都急剧下降,而且样品烧结不致密并产生裂纹,同时XRD图谱也往低角度方向发生偏移。而SrTi(1-1.25x)NbxO3在x=0~0.005时介电常数(εr)在299和303之间波动,Q×f值呈逐渐上升的趋势,在x=0.005时,其Q×f值为6953GHz。  (Sr(1-xCax)TiO3在x=0.2~0.5范围内,随着CaTiO3含量的增加,其体积密度呈线性减小趋势,但其结构仍是钙钛矿结构,其主峰位置均位于SrTiO3主峰和CaTiO3主峰位置之间。同时由于Ca2+离子含量的增加,其平均晶粒尺寸得到增加,气孔也相应的减少。最后其介电常数随x的增大由315.731减小至259.028,而Q×f值则呈相反的变化趋势,由1207.9GHz逐渐增大至1787.5GHz。同时在(Sr0.7Ca0.3)TiO3中掺入Nb5+离子后,Sr0.7Ca0.3Ti(1-1.25x)NbxO3(x=0~0.005)陶瓷的体积密度和晶粒大小呈先增大后减小的趋势,而其气孔则呈越来越多的趋势,最终导致Sr0.7Ca0.3Ti(1-1.25x)NbxO3陶瓷的介电常数随着x的增大由282.632增大到296.931而后一直减小到213.824,Q×f值则从1251.7GHz先减小到750.7GHz后一致增大到1903GHz。
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