BaO-Co2O3-ZnO-Nb2O5微波介质陶瓷改性研究

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BaO-Co2O3-ZnO-Nb2O5基陶瓷是一类具有中介电常数、高品质因数、近零的谐振频率温度系数的复合钙钛矿型微波介质陶瓷。该体系微波介质陶瓷介电性能优异,但由于烧结气氛不易控制等问题影响其介电性能的一致性。本文通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)以及微波介电性能测试等分析方法,研究了不同x值的BaCoxZn0.31-xNb0.69O3(x=0.178、0.186、0.194、0.202和0.210)体系的烧结性能、相组成、显微结构以及介电性能的影响,并以其介电性能较好的BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3为基础配方,研究了添加不同质量分数的B2O3、Al2O3对BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3陶瓷烧结性能和介电性能的影响,并研究了添加少量B位Zn元素和Co元素对其烧结性能和介电性能的影响。主要研究聂荣包括:  ⑴采用传统固相法在1000℃预烧3h合成BaCoxZn0.31-xNb0.69O3(x=0.178、0.186、0.194、0.202和0.210)粉体,将坯体在1260℃~1340℃烧成3h,研究了不同x值对陶瓷烧结性能和介电性能的影响。结果表明:该体系陶瓷粉体在1000℃预烧3h,坯体在1300℃左右保温3h即已烧结致密。τf值随x值的增加向负方向变化,当x=0.194时,配方BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3陶瓷在1300℃烧结得到较好的介电性能:εr=36.7, Q×f=13675 GHz,τf=-8.4 ppm/℃。  ⑵研究了不同质量分数的B2O3对BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3陶瓷烧结性能和介电性能的影响。结果表明: B2O3掺入产生了液相,加速颗粒重排,从而能够很好地降低体系的烧结温度,但其介电性能有所恶化。掺杂0.25wt.%B2O3的陶瓷其烧结温度相对不掺B2O3的降低近300℃。B2O3添加量为0.1wt.%时,BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3陶瓷在1050℃已基本烧结,但此时Q×f值降为3741 GHz。  ⑶研究了不同质量分数的Al2O3掺杂对BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3陶瓷介电性能和烧结性能的影响。结果表明:少量的Al2O3掺杂可以促进陶瓷晶粒的长大,提高晶粒尺寸的均匀性,从而能显著提高陶瓷的Q×f值;而当Al2O3过量时,过量的Ba5Nb4O15相产生、晶粒均匀性变差等使得陶瓷的Q×f值降低。陶瓷的介电常数εr随着Al2O3添加量的增加而减小,τf随Al2O3增加向正方向变化。当Al2O3添加量为1wt.%时,样品在1350℃烧结时性能最好:εr=35.2,Q×f=61056 GHz,τf=-1.5 ppm/℃。以能改善其性能最好的1wt.% Al2O3分别掺杂到x=0.178、0.186、0.202和0.210的BaCoxZn0.31-xNb0.69O3陶瓷中,研究1wt.% Al2O3对其性能的影响。1 wt.% Al2O3掺杂到其余四组不同x值的BaCoxZn0.31-xNb0.69O3陶瓷中也能显著提高它们的品质因数。  ⑷研究了添加Co位元素对BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3+1 wt.%Al2O3陶瓷性能的影响,结果表明:少量的Co元素添加,BaCo0.194(1+x) Zn0.116Nb0.69O3陶瓷介电性能变化不大,一致性较好。Co添加量为配方BaCo0.199Zn0.116Nb0.69O3+1 wt.%Al2O3的陶瓷,在1320℃烧结,得到的介电性能为:εr=33.59,Q×f=63451 GHz,τf=-7.4ppm/℃。以BaCo0.199Zn0.116Nb0.69O3+1wt.%Al2O3陶瓷为基础配方,研究添加Zn位元素对其介电性能的影响,结果同样表明:一定量的Zn元素过量,其介电性能变化幅度同样较小。Zn元素添加量的配方BaCo0.199Zn0.125Nb0.69O3+1wt.%Al2O3,其介电性能最佳:εr=33.31,Q×f=69055 GHz,τf=-5.1ppm/℃。
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