复合钙钛矿微波介质陶瓷的微结构与性能调控

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B位离子有序的复合钙钛矿作为中介电常数类微波介质陶瓷的核心,在微波通讯领域有着十分重要的应用。本论文系统研究了B位1:2有序复合钙钛矿陶瓷的离子有序-无序相变、有序畴结构和微波介电性能的调控,并对1:1有序复合钙钛矿的有序畴结构-性能关系进行了初步探索。B位Mg离子的等价置换可将Ba[(Zn,Co)1/3Nb2/3]O3陶瓷的有序-无序转变温度提高至其致密化温度以上,只通过烧结便可得到B位离子高度有序的陶瓷。随着Mg2+置换量的增加,陶瓷的介电常数εr略有下降,其谐振频率温度系数τf有所上升,而Qf值随着B位离子有序度增强显著提高。通过B位Mg2+的置换,可调控Ba[(Co,Zn,Mg)1/3Nb2/3]O3复合钙钛矿陶瓷的有序-无序转变温度和烧结温度的关系,有序度显著提高,并获得了精细均匀的有序畴结构,最终实现了Ba(Zn1/3Nb2/3)O3-Ba(Mg1/3Nb2/3)03-Ba(Co1/3Nb2/3)O3三元系陶瓷的超低损耗化。将Ba[(Co,Zn,Mg)1/3Nb2/3]O3陶瓷在低于其有序-无序转变温度下进行长时间退火处理,促进了有序畴的长大,提高了陶瓷的B位离子有序度。当样品在14000℃退火12小时后,陶瓷的Qf值最显著。同时,介电常数εr略有下降,谐振频率温度系数τf向近零方向移动。陶瓷在1400℃退火时,所包含的畴界多为低能态畴界,其与均匀的有序畴结构一起,构成Qf值优化的主要原因。而当退火温度继续升高时,有序畴过度长大(>200 nm),样品具有非常高的有序度,但高能态的畴界的形成使Qf值出现了一定程度的下降。样品的Qf值是由有序度和有序畴结构共同决定的,合理调控有序-无序转变温度和退火温度的关系才能实现性能的最大优化。通过模拟Ba(N’1/3B"2/3)O3中1:2有序畴的高分辨图像,以"Ba-B"-Ba-B"-Ba-B’"阵列为基本单元,提出了多种有序畴界的原子排列模型,并预测了畴界能态及对Qf值的影响。根据界面处原子扰动情况,四种孪生畴界能态从低到高排列顺序为:A型&B型<C型<r型。A型和B型畴界分别平行于(001)c和(110)c晶面,原子层畴界与两边畴结构自然过渡,原子扰动程度低,具有最低的能态。C型畴界平行于(111)c晶面,而r型畴界垂直于(111)c晶面。C型和Γ型畴界是具有一定宽度的B位离子无序排列的缓冲区,且r型畴界宽度大干C型畴界,具有最大的能态。当低能态的孪生畴界与反相畴界相结合时,由于应力驱使会产生一种沿[001]c方向呈现1.24 nm的超晶格间距的额外超结构,这种超结构可以稳定畴界,降低介电损耗。通过透射电镜在三个特殊带轴下对Ba(B’1/3B"2/3)O3复合钙钛矿的1:2有序结构进行了表征。<110>c晶带轴是最常用的晶带轴,该带轴下可观察到两组<111>c有序取向,可非常直观的用来表征与Qf值密切相关的孪生畴界。<112>c晶带轴下只能观察到一种取向的有序畴,故孪生畴界不可见,是观察单独反相畴界的最佳晶带轴。而<111>c晶带轴刚好沿着有序方向,其对应的HRTEM(高分辨透射电镜)图像上可以清楚的看到具有六方对称性的1:2有序结构特征。少量的BaZrO3的置换使Ba[(Co, Zn, M陶瓷的1:2有序度逐渐减弱,并逐渐转化形成1:1有序,有序度的减弱直接导致了烧结样品Qf值的下降。在退火过程中,BaZrO3的置换显著降低了陶瓷的退火温度,缩短了退火时间。退火样品的有序结构是由热力学因素和动力学因素共同决定的,并影响了最终的Qf值。退火过程对低BaZrO3置换量样品的Qf值提高十分显著,但是对高BaZrO3置换量样品并没有很大的影响。通过BaZrO3的置换来改善Ba(B’1/3B"2/3)O3复合钙钛矿陶瓷的微波介电性能并不是对所有的Ba(B’1/3B"2/3)O3体系都适用。Sr(Ga0.5Nb0.5)1-xTixO3固溶体陶瓷具有局部的B位离子1:1有序。随着Ti4+置换量的增加,B位Ga-Nb之间的1:1有序逐渐被破坏,有序结构从短相干,长程有序向短程有序转变。陶瓷的介电常数εr和谐振频率温度系数τf随着Ti含量的增加呈非线性增加,而Qf值逐渐下降。Qf的下降主要归因于Ti的加入增加了晶格非简谐振动,增加了本征介电损耗,而有序结构的转变也对Qf值的下降有一定的贡献。研究出以下具有优异微波介电性能的材料:1) Ba[(Co0.6-x/2Zn0.4-x/2Mgx)1/3Nb2/3]O3:(x= 0.1-0.3) εr=33.7-34.4,Qf=79,800-93,800 GHz, τf=7.76-9.56 ppm/℃(烧结样品)εr=33.2-34.1, Qf=111,000-117,000 GHz,τf=6.10-8.60 ppm/℃(热处理后)2) Sr(Ga0.5Nb0.5)1-xTix03 (x= 0.3) εr=46.6, Qf=42,200 GHz, τf=5.0 ppm/℃
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