xCaTiO3-(1-x)LaAlO3体系微波介质陶瓷的性能研究

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CaTiO3陶瓷是一种介电性能优异的钙钛矿材料,它具有较高的介电常数(170),但较大的温度系数(+800ppm/℃)与较低的品质因素(3600GHz)限制了其应用。为了满足微波介电材料的使用要求,本文选用高品质因素、负温度系数的钙钛矿材料LaAlO3,通过与CaTiO3符合形成固溶体,获得具有中等介电常数、高品质因素与近零温度系数的微波介质陶瓷。本文研究了xCaTiO3-(1-x)LaAlO3微波介电陶瓷体系的烧结性能、相组成、显微结构与介电性能,确定了x的最佳值,并在此基础上分别添加V2O5、NaSiO3与B2O3(熔点分别为690℃、1088℃、445℃)降低体系的烧结温度,研究讨论三种助烧剂对陶瓷烧结性能与介电性能的影响。  原始粉料(CaCO3,TiO2,La2O3,Al2O3)按照xCaTiO3-(1-x)LaAlO3(x=0.64,0.67,0.69,0.71,0.74)比例混合,在1220℃温度下合成预烧粉料,压制成型后坯体在1500~1640℃温度范围内烧结成瓷。研究结果表明,由于LaAlO3较高的烧结温度(>1600℃)造成体系烧结性能很低,当温度低于1620℃时体系无法获得致密陶瓷,在1620℃与1640℃时,获得的陶瓷试样致密性仍然较低,气孔率约2~6%,体积密度约4~4.1g/cm3。物相分析表明,在整个温度范围内,所有烧结体都形成单一钙钛矿固溶体;x的增加使陶瓷的温度系数降低,当x=0.69时,体系的温度系数最接近于零。由于烧结体较低的致密性,陶瓷的介电性能较差,实验表明,当烧结温度为1640℃时,0.69CaTiO3-0.31LaAlO3陶瓷的具有最佳的介电性能:εr≈37.5,Q·f13000GHz,τf≈9.3ppm/℃。  为了降低0.69CaTiO3-0.31LaAlO3陶瓷的烧结温度,研究了添加V2O5对陶瓷烧结性能与介电性能的影响。通过在烧结过程中形成液相,润湿陶瓷颗粒,加速颗粒重排,V2O5有效促进了0.69CaTiO3-0.31LaAlO3陶瓷的烧结。在实验中,V2O5的添加量为0.15、0.3、0.7、1.5、3wt.%,在添加量低于0.7wt.%时,试样在1380~1500℃温度范围内无法烧结致密,陶瓷试样气孔率高,密度低;当掺杂量达到1.5与3wt.%时,可获得致密性高的烧结体,但过量烧结助剂造成的第二相增加与液相挥发使介电性能恶化。实验结果表明,当烧结温度为1440℃,V2O5添加量为1.5wt.%时试样介电性能最佳:εr≈48.9,Q·f≈19000GHz,τf≈11.6ppm/℃。  虽然添加V2O5降低了体系的烧结温度,但同时也恶化了介电性能,为了提高体系的烧结与介电性能,本章选取Na2SiO3作为烧结助剂,研究其对0.69CaTiO3-0.31LaAlO3烧结性能与介电性能的影响。实验结果表明,通过液相作用,Na2SiO3的引入可有效降低陶瓷的烧结温度,坯体在1380~1530℃温度范围内均能烧结成致密陶瓷试样,同时Na2SiO3的引入未改变试样的晶相组成;当添加量为0.3wt.%时,试样的致密性与介电性能最佳,由于最优添加量较低,Na2SiO3对陶瓷介电性能影响很小。在1500℃烧结温度下,添加0.3wt.%Na2SiO3的0.69CaTiO3-0.31LaAlO3陶瓷性能最佳:εr≈47.4,Q·f≈48700GHz,τf≈7.8ppm/℃  为了进一步提高陶瓷的致密性与介电性能,本章选用熔点更低的B2O3作为助烧剂,提高0.69CaTiO3-0.31LaAlO3陶瓷的烧结与介电性能。结果表明,在1440~1560℃烧结温度范围内,试样均能形成致密性高的陶瓷,B2O3的引入并未对试样晶相组成产生影响,但通过SEM观察发现B2O3在烧结过程中形成了玻璃相,当掺杂量较高时玻璃相的存在与液相的挥发降低了致密性与介电性能。当烧结温度为1500℃,B2O3添加量为0.3wt.%时,0.69CaTiO3-0.31LaAlO3陶瓷性能最佳:εr≈45.4,Q·f≈52800GHz,τf≈8.78ppm/℃。  研究了Na2SiO3与B2O3的复合掺杂对0.69CaTiO3-0.31LaAlO3陶瓷烧结性能与介电性能的影响,以前两章的研究结果为基础分别掺杂0.15wt.%Na2SiO3+0.15wt.%B2O3和0.15wt.%Na2SiO3+0.3wt.%B2O3来降低陶瓷的烧结温度。实验结果表明,通过复合添加Na2SiO3与B2O3,试样可在1410~1530℃烧结温度范围内获得致密陶瓷试样,同时添加剂未对晶体组成产生影响;添加0.15wt.%Na2SiO3+0.15wt.%B2O3的试样在1500℃烧结温度下性能最佳:εr≈46.7,Q·f49300GHz,τf≈10.5ppm/℃。
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