M-Nb-Ti-O(M=Li,Zn)微波介质陶瓷的高通量制备和性能研究

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现代微波通讯系统的不断发展对微波介质陶瓷材料提出了新的需求,高介电常数、低介电损耗的微波介质材料是该领域的研究热点之一。高介电常数微波介质材料通常具有多元的组分和复杂的物相组成,为了提高制备和筛选效率,本论文开发了一种陶瓷材料高通量制备方法,对Li2O-Nb2O5-TiO2和ZnO-Nb2O5-TiO2材料体系进行组分设计并制备,探究两个材料体系中组分、结构和性能之间的关系,并筛选出具有优异微波介电性能的材料配方。  首先,高通量制备方法的建立:采用自动化粉体称量系统、多工位球磨仪、成型模具、等静压机、烧结炉等设备和装置,建立起包括自动化快速配料、并行研磨混合、批量压片和烧结的高通量陶瓷材料样品库的并行制备方法,单批次可并行制备16个块体陶瓷样品。  其次,高通量制备方法的可靠性验证:通过高通量方法制备一组LiNb0.6Ti0.5O3陶瓷样品库,并对所有陶瓷的结构和微波介电性能进行测试,研究发现所有陶瓷具有相同的M-相晶相结构,致密度在96%以上;相对密度、介电常数和Q*f值的变异系数(CV)分别为0.30%、1.06%和4.84%,CV值很小说明样品库陶瓷的密度和微波介电性能均一性很好,因此,该高通量制备方法制备的陶瓷样品可以用于组分筛选。  随后,在Li2O-Nb2O5-TiO2体系中不同相区选取了32组不同的组成配方,采用高通量方法并行制备了陶瓷样品库。所有陶瓷样品的物相组成与其在相图中位置相吻合。其中,M-相陶瓷的介电常数为54~77,且随x、y值增大而减小;Q*f值随x、y值增大而增大,可达11000 GHz;富Li2TiO3和Li2Ti3O7相陶瓷介电常数较低,且随着Ti含量的增加而增大。不同温度下烧结实验发现:组分为0.55Li2O-0.05Nb2O5-0.40TiO2的陶瓷在1160℃烧结时,具有最佳的微波介电性能:εr=18.4,Q*f=79000 GHz,是一种性能优异的低介微波介质材料。  最后,基于组合设计思想在ZnO-Nb2O5-TiO2体系中设计了包含144个组分的陶瓷样品库并采用高通量方法制备了陶瓷样品。相结构和微波介电性能都以ZnNb2O6-TiO2相线为分界线,富Nb、Ti区中,晶相主要由Ti2Nb10O29或TiNb2O7相构成,微波介电性能很差;在富Zn、Ti区中,主要为Zn2TiO4相,在Zn含量相对较低的组分中,陶瓷介电常数为20~80,随着Ti含量的增加而增大;Q*f值在ZnNb2O6-TiO2相界线上较大,向外围逐渐减小;在介电常数大于70的区域中,陶瓷结构中大多含有Zn0.15Nb0.3Ti0.55O2相。3ZnO-3Nb2O5-11TiO2陶瓷在1100~1200℃烧结时,均为单一的Zn0.15Nb0.3Ti0.55O2相,在1180℃烧结时,3ZnO-3Nb2O5-11TiO2陶瓷具有最佳性能:εr=86.8,Q*f=14400GHz,τf=+336 ppm/℃。
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