CaTiO_3-LaAlO_3微波介质陶瓷的研究进展

从发展历程、晶体结构、制备及反应过程、介电性能等方面介绍了具有中等介电常数的CaTiO3-LaAlO3微波介质陶瓷的研究进展,讨论了目前该体系微波介质陶瓷存在的问题,并指出了以后的发展方向。

(1-x)CaTiO_3-xLaAlO_3陶瓷的微波介电性能研究

通过传统的固相反应法制备了(1-x)CaTiO3-xLaAlO3陶瓷,系统地研究了LaAlO3含量的变化对陶瓷的晶体结构、微观结构和微波介电性能的影响。结果表明,LaAlO3含量的增加导致(1-x)CaTiO3-xLaAlO3陶瓷的晶格结构发生畸变,使得陶瓷的介电常数下降、Q·f值增加,并使其谐振频率温度系数向负值处发生偏移。LaAlO3的含量为x=0.33时,(1-x)CaTiO3-xLaAlO3陶瓷的烧结温度为1460℃,展示了良好的微波介电性能:εr=45.3、Q·f=36218 GHz、τf=-0.5 ppm/℃。

TiO_2晶型对0.65CaTiO_3-0.35LaAlO_3陶瓷介电性能的影响

采用两种晶型不同的TiO2微粉为原料,通过传统的固相反应工艺分别制备了0.65CaTiO3-0.35LaAlO3陶瓷,系统地研究了这两种TiO2原料对陶瓷的晶体结构、微观结构和微波介电性能的影响。实验结果表明,TiO2原料晶型的不同显著影响了0.65CaTiO3-0.35LaAlO3陶瓷的微波介电性能。对于金红石型TiO2原料,所制备陶瓷的最佳烧结温度为1440℃,其微波介电性能为εr=43.8、Q×f=38216GHz、τf=-10.5ppm/℃。而采用锐钛矿型TiO2原料制备的陶瓷的最佳烧结温度为1580℃,陶瓷的微波介电性能为εr=37.5、Q×f=45200GHz、τf=5.3ppm/℃。该研究结果有助于选择合适的TiO2原料以制备出性能良好的CaTiO3-LaAlO3陶瓷,也为进一步研制和开发新组分的CaTiO3-LaAlO3系微波介质陶瓷材料奠定了基础。

成型工艺和烧结温度对CaTiO_3-LaAlO_3微波介质陶瓷结构与性能的影响

采用传统固相反应法制备了CaTiO_3-LaAlO_3(CTLA)陶瓷,借助XRD、SEM和电性能测试手段,系统研究了干压、注塑两种成型工艺和烧结温度对CTLA陶瓷结构与性能的影响。结果表明,成型工艺和烧结温度不会改变CTLA陶瓷材料的主晶相,与干压成型相比,注塑成型的试样密度均匀性更好,其烧结密度、收缩率和相对介电常数略高,Q·f值下降,综合性能一般。相同成型工艺下,致密性、晶粒尺寸和相对介电常数均随烧结温度的增加而增加。烧结温度为1380℃时,干压成型试样具有最佳的性能:径向收缩率为15.02%,ε_r=44.01,Q·f(5 GHz)=41648 GHz,τ_f=1.24×10^(-6)℃^(-1)。

锌对CaTiO_3∶Pr^(3+)发光亮度和余辉时间的影响

研究了Zn的不同掺入量、不同合成温度对CaTiO3∶Pr3+红色光致发光材料结晶、初试亮度和余辉时间的影响。用X射线衍射确定了材料的物相构成,Zn的掺入没有导致Ca2Zn4Ti15O36相的出现。发射光谱的峰值位于613nm,对应了Pr3+的1D2 3F4跃迁发射,且受Zn掺入量的影响。激发光谱呈宽带,随Zn掺入量的不同而变化明显。同时,Zn的掺入量的增加可以显著降低材料的合成温度。适量的Zn的掺入,在适当的合成温度条件下,获得了具有高的初始亮度、余辉时间达1h左右的红色长余辉材料。

NdAlO_3-CaTiO_3微波介质陶瓷材料的研究

为实现NdAlO3-CaTiO3体系陶瓷材料的优异微波介电性能,采用传统固相反应法制备了(1-x)NdAlO3-xCaTiO3粉末,研究了不同x值对NdAlO3-CaTiO3陶瓷结构和性能的影响。结果表明,当x取0.60,0.65,0.70,0.75,0.80时,所制陶瓷的结构均比较致密,无气孔,晶界清晰,主晶相为(1-x)NdAlO3-xCaTiO3。随着x的增大,陶瓷的密度由4.95 g/cm3呈近似线性递减至约4.45 g/cm3,粒径由4μm增大至约10μm,微波相对介电常数εr由38增大至约65,谐振频率温度系数τf由-9×10-6/K增大至32×10-6/K,Q.f则由38 000降至约29 000。

水热法制备CaTiO_3∶Pr^(3+)微纳米荧光粉及其发光性能

采用水热法制备了微纳米CaTiO3∶Pr3+荧光粉,采用XRD、SEM和荧光光谱仪对荧光粉的结构、形貌及发光性能进行分析。结果表明,所制得的CaTiO3∶Pr3+荧光粉物相纯正无杂质,结晶度好;有较宽激发带,激发峰值为323nm,发射主峰位于613 nm处,呈锐线状,属红色发光。比较水解抑制剂的种类和NaOH溶液的浓度对制备CaTiO3∶Pr3+荧光粉的作用,发现选用HNO3作为水解抑制剂,NaOH溶液的浓度为1 mol/L时制备的CaTiO3∶Pr3+荧光粉结晶程度最高,晶粒尺寸均匀,粒度约为500 nm,发光性能最佳。

水热合成法制备CaTiO_3∶Re^(3+)(Re=Eu,Dy)及发光性能

采用水热合成法合成了CaTiO_3∶Re^(3+)(Re=Eu,Dy)荧光粉,通过XRD(X-ray diffraction)、SEM(Scanning electron microscope)和光谱对样品进行了分析。研究发现在p H=12时,合成出的CaTiO_3∶Re荧光粉结晶度和发光性能最好;SEM分析表明荧光粉颗粒尺寸在450 nm左右,分散性好;确定了稀土离子最佳浓度。在353nm激发下,CaTiO_3∶0.12Dy^(3+)的发射峰分别位于485 nm(蓝)和576 nm(黄)。当Dy^(3+)浓度发生变化时,两种跃迁产生的蓝黄光发射峰的强度比值(IY/IB)也会发生变化,因此,可以利用这一点对CaTiO_3∶Dy^(3+)荧光材料的发光颜色进行调谐。

CaTiO_3∶Pr^(3+)长余辉玻璃的制备与发光性能

用二次熔融法制备了CaTiO3∶Pr3+红色长余辉玻璃。测量了样品的发射光谱,其发射光谱峰值为611.7,614.5 nm,对应于Pr3+的4 f-4 f(1D2→3H4)跃迁,与CaTiO3∶Pr3+晶态长余辉发光粉的发射光谱峰值相一致。玻璃粉与发光粉的质量配比在95∶5~80∶20时,都可以形成玻璃态并得到红色长余辉发光。研究了气氛和熔融温度对发光性能的影响,在空气环境下,800℃即可得到性能良好的样品。

等价Ca、Sr离子固溶对CaTiO_3:0.002Pr^(3+)发光特性的影响

利用高温固相反应法,制备了不同Sr/Ca比的(Ca1-xSrx)TiO3:0.002Pr3+(x=0-0.6)红色发光材料.荧光光谱与XRD测试结果表明:所有样品均发出源于Pr3+的1D2→3H4跃迁的612m红色光;发光强度与晶胞a轴均随固溶取代量x改变而连续变化,并在x=0.15的出现极值:发光强度提高约三倍,a轴则最小.研究揭示除不等价离子取代产生的电荷缺陷外,等价离子取代导致的固溶结构变化也是改变发光强度的有效途径.

CaTiO_3纳米粉体溶胶-凝胶法合成、表征及介电特性

采用无机盐溶胶-凝胶法制备了CaTiO3纳米粉体,采用TG-DTA、XRD、TEM等技术进行了表征,并探讨了CaTiO3纳米粉体烧结特性及介电效应。结果表明,干凝胶800℃低温煅烧可获得粒径分布较窄、平均粒径为60￣70nm的单相CaTiO3纳米粉。纳米CaTiO3粉具有较大的比表面积,使作为粉体烧结驱动力的表面能剧增,促使CaTiO3在1200℃实现致密烧结,比固相法制备的微米粉烧结降低100￣200℃,且具有较宽的烧结温区。与微米级粉体烧结体介电特性相比,纳米粉具有更高的Qf值。纳米CaTiO3粉制备的陶瓷在1250℃烧结2h,获得优良的介电性能:εr=172,Qf=4239GHz,τf=+7.68×10-4℃-1。

0.7CaTiO_3-0.3(La_xNd_(1–x))AlO_3微波介质陶瓷的研究

利用传统固相反应法制备了具有不同LaAlO3含量的0.7CaTiO3-0.3(LaxNd1–x)AlO3(以下简称CTLNA)系微波介质陶瓷,研究了所制CTLNA陶瓷的微观结构和微波介电性能。结果表明,用x=0.5的La3+取代Nd3+能有效促进样品晶粒的均匀分布,降低样品的气孔率。少量添加SrTiO3能进一步增加样品的致密度,提高CTLNA系微波陶瓷的介电性能。经原料组分及工艺优化,制备的0.7(Sr0.01Ca0.99)TiO3-0.3(La0.5Nd0.5)AlO3样品密度高、晶相均匀,其微波介电性能如下:εr=45.87,Q.f=41 612 GHz(4 GHz),τf=10×10–6/℃。

CaTi2O4(OH)2片状结构向CaTiO3片状结构转化及其性能研究

通过控制水含量,用水热法制备了CaTi2O4(OH)2片状结构。通过对水含量为50 mol条件下所制备的CaTi2O4(OH)2片状结构煅烧来制备CaTiO3片状结构。当热处理温度≤400℃,CaTi2O4(OH)2纳米片状结构稳定存在。当热处理温度为650℃和750℃,制备了CaTiO3片状结构。采用XRD、SEM和TEM等测试方法对片状结构进行表征,并对CaTi2O4(OH)2片状结构向CaTiO3片状结构转化的反应过程和形成机理进行分析。在热处理温度400℃时,样品的首次放电比容量最大,可达到168.5 mAh/g。当热处理温度继续升高到650℃和750℃,样品的首次充放电容量分别为18.9 mAh/g和5 mAh/g。这说明发育完善的CaTi2O4(OH)2片状结构有利于电化学过程中离子的嵌入和脱出。

Nd^(3+)、Li^(1+)对CaTiO_3微波介电性能的影响

研究了Nd3+、Li1+取代对CaTiO3微波介电性能的影响。以x=0.39的Ca1-xNd2x/3TiO3(CNT)为典型材料,在1 300~1 380℃烧结制备CNT。在1 350℃烧结4 h,可制备出介电常数rε=109.24,品质因数与频率之积Qf=8 650 GHz,谐振频率温度系数τf=+243×10-6/℃的CNT(x=0.39)微波陶瓷。对于(1-y)Ca1-xNd2x/3TiO3-yLi1/2Nd1/2TiO3(CNLNT),采用一步预合成法在1 200~1 380℃烧结制备CNLNT(x=0.39,y=0.49)微波陶瓷。随着烧结温度的提高,CNLNT(x=0.39,y=0.49)陶瓷的rε下降,τf略有下降。当烧结温度超过1 300℃时,Qf值下降。在1 300℃烧结4 h,rε=104,Qf=3 440 GHz,τf=+9×10-6/℃。

纳米长余辉发光材料CaTiO_3∶Pr的制备及表征

以无机盐为原料,以明胶为分散介质,采用凝胶网格沉淀法制备了掺镨的钛酸钙纳米颗粒。通过热重和差热分析,讨论了CaTiO3∶Pr共沉淀及锻烧过程中的反应机理。用透射电子显微镜观测到纳米颗粒呈类球形,粒径为100 nm左右,分散性良好。利用荧光光谱分析仪对纳米CaTiO3∶Pr粉体的发光性能进行了表征。光谱数据表明:1 100℃时,煅烧1 h发光强度最大,其发光特性与传统的高温固相法相似,但烧结温度可以降低200℃。系统地研究了制备纳米CaTiO3∶Pr长余辉发光粉体的工艺条件及其影响因素,给出了最佳的制备条件。文章报道的制备方法所需装置简单,实验成本低。

CaTiO_3的水热制备及其晶粒形貌研究

以无水CaCl2、TiCl4和NaOH为原料,用一步水热法合成了CaTiO3晶体粉末。研究了反应温度、反应时间和NaOH初始浓度等水热条件对CaTiO3产物结构和形貌的影响。结果表明:100℃下即可水热合成纯相CaTiO3。最佳制备条件为200℃,6h,NaOH初始浓度2.0mol/L。在该条件下获得的CaTiO3粉体结晶性好,晶粒近似立方体形状,尺寸分布均匀,平均粒径约1μm。乙二醇或丙三醇等多元醇分散剂的加入可改变晶粒的形貌,得到"十字架"形的CaTiO3晶体。

立方结构CaTiO_3晶体物理性质模拟

本文运用GULP软件模拟计算了理想立方结构CaTiO3的力学、热学和声子性质。利用正交相结构CaTiO3的晶格结构数据(晶格常数和原子坐标)和晶体性质(弹性常数和高频介电常数)通过GULP的弛豫拟合技术得到理想立方结构CaTiO3的势参数。用该组势参数计算得到的结果和实验结果相吻合。在此基础上计算了理想立方结构CaTiO3的体弹模量、压缩率、杨氏模量、泊松率、弹性常数和高频介电常数。计算并详细分析了理想立方结构CaTiO3沿着高对称方向(X→R;R→M;M→G;G→R)的声子色散曲线和声子态密度。还计算了温度范围为0～1000 K的热容和熵。

NaOH的添加量对CaTiO_3微观形貌与光催化性能的影响

以钛酸正丁酯和无水氯化钙为原料,采用水热法制备了不同光催化特性的CaTiO3粉体。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的相结构和微观形貌进行了分析,并结合样品的紫外-可见吸收分光光谱吸收曲线表征了材料的吸收特性及带隙宽度。研究了添加不同含量的NaOH对CaTiO3物相结构、微观形貌、带隙宽度和光催化特性的影响。结果表明:NaOH的添加量从0.0315 mol至0.0615 mol时均可获得纯的CaTiO3正交相,粉体外观形貌历经了交错重叠块状到相互分离的方块柱状的转变。对其光学性能和光催化性能显示,NaOH添加量为0.0465 mol的CaTiO3粉体具有最小的带隙宽度,在紫外可见光3 h下对罗丹明B的光催化效率达到了42.7%。

亚甲基蓝在CaTiO_3上的吸附动力学

详细考察了CaTiO3投加量、溶液pH值以及亚甲基蓝(methylene blue,MB)初始质量浓度对MB在CaTiO3上的平衡吸附率的影响,分析了MB在CaTiO3上的吸附等温式.结果表明,CaTiO3投加量对MB的平衡吸附率影响很小.溶液pH值为7时MB的平衡吸附率高于溶液pH值为4和10时MB的平衡吸附率,说明中性条件有利于MB在CaTiO3上的吸附.MB在CaTiO3上的平衡吸附率随MB初始质量浓度增加而显著降低.MB在CaTiO3上的吸附符合Langmuir吸附等温式,MB在CaTiO3上的饱和吸附量为1.64 mg/g.

预烧工艺和CeO_2添加剂对(1-x)LaAlO_3-xCaTiO_3微波介质陶瓷性能的影响

利用常规固相法制备了[(1–x)LaAlO3-xCaTiO3]+yCeO2陶瓷(y为CeO2的质量分数),研究了预烧工艺和CeO2添加剂对所制陶瓷微波介电性能的影响。结果表明,LaAlO3与CaTiO3一次预烧能获得较好的微波介电性能,CeO2添加剂能有效提高材料的烧结性能和微波介电性能。(0.4LaAlO3-0.6CaTiO3)+0.2%CeO2陶瓷经1 450℃烧结5 h后能获得最佳微波介电性能:εr=43.1、Q·f=29 700 GHz、τf=–2.4×10–6/℃。