Ca(B’1/2Nb1/2)O3-CaTiO3(B’=Ga,Al)陶瓷的结构和微波介电性能

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复合钙钛矿微波介质陶瓷在微波通信领域有着广泛的实用价值和研究意义。本论文系统研究了Ca(B0.5Nb0.5)O3-CaTiO3(B=Ga,Al)复合钙钛矿陶瓷的B位离子1∶1有序/无序和氧八面体倾转,探讨了其结构演变与微波介电性能之间的关系,得出了以下结论:  Ca[(Ga1/2Nb1/2)1-xTix]O3具有正交的晶体结构,空间群为Pbnm,其钙钛矿结构具有氧八面体反相倾转(b-)、同相倾转(c+)和A位阳离子反平行位移等畸变特征。由于B位离子半径差过小,Ca[(Ga1/2Nb1/2)1-xTix]O3难以形成稳定的1∶1有序结构。Ti部分置换B位的Ga和Nb,使结构许容因子t增加并趋近于理想值1,有利于增强钙钛矿结构稳定性。随着Ti4+含量增加,分子极化率和阳离子扰动增加,使陶瓷的介电常数增大;τf受εr的影响近似线性增加;陶瓷Qf值的下降主要是由于Ti4+的引入导致晶格失配和结构非谐性加剧增大了本征损耗。  使用Al置换挥发性的Ga显著改善了Ca[(Ga0.5Nb0.5)0.5Ti0.5]O3陶瓷的Qf值。Al3+具有比Ga3+更小的离子半径,随Al置换量增加,Ca[(Alx Ga1-xNb0.5)0.5Ti0.5]O3的t值从0.958增加到0.968。倾转角数值模拟计算表明b-和c+倾转均随t增大而减弱,但即使t超过了氧八面体同相倾转相变临界值0.965,Ca[(AlxGa1-xNb0.5)0.5Ti0.5]O3中仍然存在同相倾转。由此推断Ca基复合钙钛矿陶瓷同相倾转的临界t值可能比0.965稍大。成分变化和结构演变显著影响了材料的微波介电性能:εr随Al含量增加稍有下降,这与Al3+较小的离子极化率有关;εr减小倾向使τf减小,而氧八面体倾转减弱使τf朝正方向变化,两者共同作用使材料的τf值调至近零值;此外Al置换Ga减少了Ga挥发导致的点阵缺陷,氧八面体倾转减弱改善了结构对称性,有利于形成离子紧密堆垛,抑制了晶格失配和结构非谐性,减小了本征损耗,提高了材料的Qf值。  研究获得了以下低损耗、温度系数近零的中介电常数微波介质陶瓷:  1 Ca[(Ga0.5Nb0.5)1-xTix]O3(x=0.47)εr=51.6,Qf=34,100 GHz,τf=-0.3 ppm/℃;  2 Ca[(AlxGa1-xNb0.5)0.5Ti0.5]O3(x=0.2-0.5)εr=49.2-53.4,Qf=35,900-40,000GHz,τf=0.6-3.5 ppm/℃。
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