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随着移动通信、卫星电视、车载雷达、全球卫星定位系统(GPS)等微波技术的迅速发展,微波元器件及整机设备的小型化、集成化、频率高端化及低成本化已成为微波技术发展的趋势。生产一种具有低的介电损耗和较好的温度稳定性的系列化的以使用于移动通信基站、谐振腔、耦合器、双工器等不同应用目标的微波介质陶瓷是十分有必要的。Li2O-Nb2O5-TiO2系微波介质陶瓷以其介电常数系列可调(20~78),品质因数较高以及近零的谐振频率温度系数等特点受到研究者广泛关注。因此,本论文选用Li2O-Nb2O5-TiO2系中具有“M-相”结构的陶瓷材料进行研究工作。通过织构化技术,制备了一种“M-相”织构化微波介质陶瓷。通过不同方向的裁剪,可以获得介电常数在一个范围内连续可调的材料,并在某些方向的裁剪可获得优异的微波介电性能,如较高的Q×f值和近零的τf。
在LiCl的熔盐环境中,可制得LiNb0.6Ti0.5O3模板晶粒。单一的M-相LNT晶粒在高于950℃时合成。随着合成温度的继续升高,晶粒在直径和厚度方向都有一定增大。在1000℃制得的晶粒通常呈现片状,具有三角或六角的聚形以及较大的高宽比,是一种适用于模板晶粒生长(TGG)工艺的理想模板晶粒。
采用丝网印刷模板晶粒生长法(sp-TGG)制备了织构化LNT微波介质陶瓷。通过剪切力的作用,晶粒定向排列,使粉体沿着模板晶粒生长,制备的陶瓷具有很高的取向度和织构度。在1 MHz频率下,LNT(//)样品和LNT(⊥)样品的介电性能表现出明显的不同。在平行丝网印刷方向的方向测试,介电常数约为55,介电常数温度系数为75 ppm/℃;在垂直丝网印刷的方向测试,介电常数为80,介电常数温度系数为-120 ppm/℃。在微波频率下测试LNT-M(//)样品测得的平行c轴的方向εr=57.9,Q×f=6325 GHz,τf=14 ppm/℃,在LNT-M(⊥)样品测得垂直c轴方向的εr=81.8,Q×f=5751 Gnz,τf=43 ppm/℃。
采用丝网印刷制备的Li0.95Nb0.45Ti0.7O3(LNTs)的织构化微波介质陶瓷具有73%的<110>取向度。SEM图显示生长的晶粒整齐致密排列,具有很小的介电损耗和优异的介电性能。在微波频率,LNTs-M(//)样品的εr=47,Q×f=9893 GHz,τf=-18ppm/℃,LNTs-M(⊥)样品的εr=75,Q×f=6942 GHz,τf=52 ppm/℃在平行丝网印刷平面方向,可以获得高达9893 GHz的Q×f值;随着切割方向的不同,介电常数温度系数从-18 ppm/℃变化到52 ppm/℃。可通过裁剪方向的不同,来控制陶瓷的谐振频率温度性能。