Zn-Sn共掺杂Mg_(2)TiO_(4)微波介电陶瓷的制备与表征

本研究分别用微量Zn^(2+)与Sn^(4+)取代Mg_(2)+与Ti^(4+),通过固相反应法制备了Zn-Sn共掺杂Mg_(2)TiO_(4)微波介电陶瓷,并采用阿基米德法、XRD、SEM、EDS及网络分析仪等手段,分析了材料的基本物性和介电特性。基本物性分析结果表明,烧结温度、Zn掺杂量x、Sn掺杂量y等因素对Mg_(2)TiO_(4)的晶体结构无明显影响,烧结致密性随烧结温度的升高呈先增大后减小的趋势,其中在1300℃下烧结所得的(Zn_(0.05)Mg_(0.95))2(Sn_(0.05)Ti_(0.95))O_(4),烧结致密性最佳,达到98%。微波介电特性分析结果表明,Zn-Sn共掺杂Mg_(2)TiO_(4)的介电常数εr与品质因数Q×f值,均随烧结温度的升高而呈先增大后减小的趋势,且其谐振频率温度系数τf具有较好的稳定性,其中在1300℃下烧结所得的(Zn_(0.05)Mg_(0.95))2(Sn_(0.05)Ti_(0.95))O4,εr≈15.55,Q×f≈319690GHz,此时τf≈-52.06×10^(-6)·℃^(-1)。与前人的研究结果比较后可知,本研究制备的(Zn_(0.05)Mg_(0.95))2(Sn_(0.05)Ti_(0.95))O_(4)不仅将烧结温度大幅下降至1300℃,还能将品质因子提升至319690GHz,使其微波介电性能得到有效改善。

Nd_(2)O_(3)对(Zr_(0.8),Sn_(0.2))TiO_(4)微波介质陶瓷结构和性能影响

以(Zr_(0.8),Sn_(0.2))TiO_(4)为基,通过研究Nd_(2)O_(3)(0~0.20 mol%)掺杂(Zr_(0.8),Sn_(0.2))TiO_(4)微波介质陶瓷对物相结构、形貌和介电性能的影响,发现随着Nd_(2)O_(3)掺杂量的增加,(Zr_(0.8),Sn_(0.2))TiO_(4)介质陶瓷的晶格参数、晶粒尺寸变化微弱,Nd^(3+)几乎不影响(Zr_(0.8),Sn_(0.2))TiO_(4)陶瓷阳离子有序生长,而是在(Zr_(0.8),Sn_(0.2))TiO_(4)介质陶瓷的晶界形成钉扎,通过降低介质外在损耗,有效提高陶瓷材料的Q×f值至45000(@15 GHz),并提高容量温度稳定性。

添加La_2O_3对Mg_2TiO_4陶瓷的显微结构与微波介电性能的影响

采用传统烧结工艺,制备了具有不同La2O3含量的镁钛镧陶瓷,并研究了La2O3组份对材料晶相构成、晶粒、晶界的演变、介电常数和品质因数的影响.结果表明,不含La2O3的钛酸镁陶瓷主晶相为Mg2TiO4,其平均晶粒尺寸>60μm;引入La2O3后,出现新晶相La0.66TiO2.99,材料的晶粒尺寸明显下降;随La2O3含量的增加,材料的介电常数线性增加,材料的品质因数Q在10GHz出现最大值(16558).

CaTiO_3对(1-x)ZnAl_2O_4-xMg_2TiO_4(x=0.21)微波介质陶瓷结构和性能的影响

利用常规固相法制备了ZnAl2O4-Mg2TiO4-CaTiO3陶瓷,研究了CaTiO3对其相成分、微观组织结构和微波介电性能的影响规律.结果表明,CaTiO3能有效地改善(1-x)ZnAl2O4-xMg2TiO4(x=0.21)材料的烧结性能,使其致密化温度降低150℃.ZnAl2O4-Mg2TiO4-CaTiO3陶瓷体系中包括ZnAl2O4基尖晶石相、CaTiO3、MgTi2O5和Zn2Ti3O8相,当烧结温度高于1400℃时,Zn2Ti3O8相消失.随着CaTiO3含量的增加,体系中CaTiO3相含量增加而MgTi2O5相含量减少,且CaTiO3具有显著地调节谐振频率温度系数的作用.当在(1-x)ZnAl2O4-xMg2TiO4(x=0.21)体系中掺入6mol%的CaTiO3添加剂时,经1400℃烧结后能获得温度稳定性好的微波介质陶瓷材料,其微波介电性能为:εr=11.8,Q.f=88080GHz,τf=-7.8×10-6/℃.

Li_2CO_3掺杂对0.94Mg_2SiO_4-0.06Ca_(0.9)Sr_(0.1)TiO_3陶瓷微波介电性能的影响

采用传统固相反应法,研究了Li2CO3掺杂对0.94Mg2Si O4-0.06Ca0.9Sr0.1Ti O3微波介质陶瓷的烧结性能和介电性能的影响。结果表明,烧结助剂Li2CO3的引入未改变陶瓷的相组成。添加适量的Li2CO3可以促进烧结,烧结温度由1440℃降低到1355℃,而且介电性能也得到了优化,Q×f值有明显的提高;过量Li2CO3的引入,降低了材料的致密性,增加了陶瓷的介电损耗。在1355℃烧结,保温3 h,添加0.50wt%Li2CO3的0.94Mg2Si O4-0.06Ca0.9Sr0.1Ti O3陶瓷获得最佳的介电性能:εr=7.96,Q×f=96409 GHz(f=14.571 GHz),τf=+4.62 ppm/℃。

ZnO-B_2O_3玻璃对Mg_2TiO_4微波介质陶瓷结构和性能的影响

利用传统固相烧结法制备了ZnO-B2O3玻璃掺杂的Mg2TiO4微波介质陶瓷,研究了ZnO-B2O3玻璃掺杂对所制陶瓷相成分、微观形貌和微波介电性能的影响。结果表明:ZnO-B2O3玻璃掺杂能使Mg2TiO4陶瓷的致密化温度降低200℃左右。当Mg2TiO4中掺杂质量分数2%的ZnO-B2O3玻璃时,经1 300℃烧结所得陶瓷微波性能较好:εr=13.62、Q.f=101 275 GHz、τf=–51×10–6/℃。

Sr_(0.5)Zr_(2)(PO_(4))_(3)-(Ce,Sm)PO_(4)复相陶瓷核废物固化体的制备及化学稳定性

为同时固化高放废物中的模拟放射性核素Sr、Ce和Sm,采用一步微波烧结工艺成功制备了Sr_(0.5)Zr_(2)(PO_(4))_(3)-(Ce,Sm)PO_(4)复相磷酸盐陶瓷固化体,采用XRD、Raman、SEM-EDS和密度表征研究了其物相组成、微观结构以及致密性,并利用PCT法评估了化学稳定性。结果表明:Sr_(0.5)Zr_(2)(PO_(4))_(3)相和(Ce,Sm)PO_(4)独居石相兼容性好,两相间不发生相互反应;所制备的复相陶瓷固化体晶粒尺寸小,相对密度高于96%,改变Sm/Ce比对固化体的微观结构和致密性无明显影响;PCT测试结果表明Sr、Ce和Sm的元素归一化元素浸出率都较低,与单相磷酸盐陶瓷固化体相比,复相磷酸盐陶瓷固化体具有较为优异的化学稳定性。

表面活性剂对Mg_(2)TiO_(4)微波陶瓷注射成形喂料流变性能的影响

分别添加硬脂酸(SA)、油酸(OA)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)等4种表面活性剂对Mg_(2)TiO_(4)粉末进行改性,通过红外分析和粒度测试,研究表面活性剂对Mg_(2)TiO_(4)粉末粒径分布的影响和作用机理。并用改性前后的Mg_(2)TiO_(4)粉末制备装载量(体积分数)为44%的注射成形喂料,通过表征粉末喂料的黏度、最大装载量φ;、流变激活能和屈服应力来研究不同改性剂对喂料流变性能的影响。结果表明:表面活性剂通过化学吸附与Mg_(2)TiO_(4)粉末相接,可有效减少粉末团聚。用OA对Mg_(2)TiO_(4)粉末进行改性可使喂料黏度从39.55 Pa·s显著下降到5.43 Pa·s(剪切速率为100 s^(-1)),激活能从62 kJ/mol下降到38k J/mol,并且在170℃得到最低的屈服应力12 Pa (改性前为1 832 kPa)。用KH560改性的喂料φ;最大,为135%。

(Mg_(1-x)Zn_x)_2SiO_4(0≤x≤1)陶瓷微波介电性能研究

采用固相反应法制备(Mg1-xZnx)2SiO4(0≤x≤1)微波介质陶瓷,研究(Mg1-xZnx)2SiO4陶瓷在0≤x≤1范围内的相演变、微结构与其微波介电性能间相互关系.XRD测试结果表明:橄榄石结构的Mg2SiO4与硅矽矿结构的Zn2SiO4在晶体结构上存在很大差别,(Mg,Zn)2SiO4在0≤x≤1范围内只能部分地实现有限固溶.背散射电子扫描显微镜(BESEM)测试结果显示:随着x的增加,MgSiO3第二相得到抑制;陶瓷出现液相烧结,促进晶粒生长与玻璃相在晶界处沉积.微波介电性能测试结果表明:由于Zn2+离子极化能力大于Mg2+离子,(Mg1-xZnx)2SiO4(0≤x≤1)陶瓷介电常数随x值增加而增大;0≤x≤1范围内,Mg2SiO4陶瓷微波性能由于第二相、气孔率增加与晶粒增大而降低,Zn2SiO4陶瓷由于微结构得到改善,陶瓷微波性能得到优化.当x=0.6时,得到较好的(Mg0.4Zn0.6)2SiO4陶瓷微波性能为:εr=6.6,Qf=95650GHz,τf=-60×10-6/℃.

V_2O_5和Li_2CO_3共掺杂对Mg_4Nb_2O_9陶瓷烧结行为及微波介电性能的影响

采用固相法,制备了Mg4Nb2O9(MN)微波介质陶瓷,研究了V2O5和Li2CO3共掺杂对Mg4Nb2O9陶瓷烧结行为、相结构、显微结构和微波介电性能的影响.结果表明,采用1.5%V2O5和1.5%Li2CO3共掺杂,能够将Mg4Nb2O9(1 350℃)陶瓷的烧结温度降至925℃,且有助于Mg4Nb2O9单相的形成.3.0%(V2O5,Li2CO3)共掺杂样品在925℃空气中烧结5 h可获得良好的微波介电性能(介电常数为13.7,品质因数为77 975 GHz).

高能球磨法制备Mg_4Nb_2O_9微波介质陶瓷及其表征

采用高能球磨法制备粉体,粉体球磨60h后在900℃保温3h预烧合成Mg4Nb2O9纯相,研究了由高能球磨所得粉体制备的Mg4Nb2O9陶瓷的相结构、显微组织和微波介电性能随烧结温度的变化关系。X射线衍射检测Mg4Nb2O9陶瓷在1150～1200℃烧结过程中有微量的MgNb2O6和Mg5Nb4O15杂相产生,烧结温度高于1200℃时,样品为Mg4Nb2O9纯相;样品收缩率和密度随烧结温度的增大而增加,在1200℃趋于饱和,分别为13.6和4.22g/cm3(相对密度96.42%);样品的气孔含量随烧结温度增大降低,晶粒尺寸随烧结温度增大而增大,介电常数和品质因数随烧结温度的增大而增加;1200℃烧结的样品具有高的致密度、清晰的显微组织,平均晶粒尺寸为3.5μm,微波介电性能εr=12.6,Q·f=133164GHz,τf=-56.69×10-6/℃。实验结果表明,高能球磨有效促进球磨后粉体在900℃低温合成Mg4Nb2O9纯相;并降低Mg4Nb2O9陶瓷的烧结温度到1200℃,改善了陶瓷的谐振频率温度系数,有望成为新一代中温烧结微波介质材料。

(1-x)ZnWO_4-xTiO_2陶瓷的微波介电性能研究

用固相反应法在1 150℃烧结2h得到了致密的(1-x)ZnWO4-xTiO2(0.1≤x≤0.8)系列微波介质陶瓷,对陶瓷的相组成、显微结构及微波介电性能进行了研究。结果表明:在(1-x)ZnWO4-xTiO2(0.3≤x≤0.5)陶瓷样品中存在ZnWO4、TiO2及Zn2TiO4三相,当Zn2TiO4相的量较多时,样品的微波介电性能较好。随着TiO2的含量增加,(1-x)ZnWO4-xTiO2陶瓷的εr及τf值单调递增,而Q.f值则先上升后下降。当x=0.4时,(1-x)ZnWO4-xTiO2陶瓷样品的微波介电性能为:εr=26.56、Q.f=42 278GHz及τf=61.37×10-6/℃。它是一种具有中等介电常数,中低烧结温度且性能优良的微波介质陶瓷新体系。

烧结温度对Li_2(Mg_(1/2)Zn_(1/2))SiO_4系微波陶瓷介电性能的影响

采用传统固相合成法制备了Li_2(Mg_(1/2)Zn_(1/2))SiO_4微波介质陶瓷,并系统研究了该陶瓷的相成分、微观形貌、微波介电性能与烧结温度之间的影响关系。XRD结果表明:在1100~1180℃温度烧结,该体系的主晶相均为Li_2(Mg_(0.8)Zn_(0.2))SiO_4,但同时也伴随有少量的MgSiO_3第二相。SEM结果表明:随着烧结温度的升高,样品的晶粒尺寸不断增加,尤其是当烧结温度为1180℃时,有些大晶粒出现了开裂现象,这会在一定程度上降低样品的品质因数(Q·f)。因此,对于微波介电性能,随着烧结温度的增加,Li_2(Mg_(1/2)Zn_(1/2))SiO_4陶瓷的Q·f值呈先增后减趋势,而相对介电常数(ε|_r)的数值较为稳定;此外,该体系谐振频率温度系数(τ_f)随烧结温度的增加逐渐向正值方向移动。当在1160℃烧结4 h时,Li_2(Mg_(1/2)Zn_(1/2))SiO_4陶瓷可获得最佳的微波介电性能:ε_r=6.09,Q·f=21 616 GHz(f=11.62GHz)和τ_f=–64.34×10^(–6)/℃。

添加ZnO-B_2O_3-SiO_2玻璃对0.79ZnAl_2O_4-0.21TiO_2陶瓷烧结和微波介电性能的影响

通过常规固相法合成0.79ZnAl2O4-0.21TiO2(ZAT)复相陶瓷,研究了不同添加量ZnO-B2O3-SiO2(ZBS)玻璃对ZAT陶瓷烧结特性和微波介电性能的影响。通过X射线衍射和扫描电镜研究ZAT陶瓷的物相结构和微观形貌。添加ZBS玻璃可有效降低ZAT陶瓷的烧结温度;TiO2和ZnAl2O4发生反应生成微量的ZnTiO3物相;当ZBS玻璃添加量为12 wt%时,ZAT陶瓷烧结温度降低至950℃,并获得较好的微波介电性能:εr=11.2,Q f=18085 GHz,τf=-26 ppm/℃,可作为应用于低温共烧陶瓷(LTCC)的潜在材料。

添加TiO_2对Mg_4Nb_2O_9陶瓷的结构与性能的影响

Mg4Nb2O9具有与α-Al2O3相同的刚玉型晶体结构,可望成为新一代高Q、低ε基板材料。然而,该材料却具有很大的负谐振频率温度系数(τf=-7.05×10-5/℃),期望通过添加TiO2(τf=4.50×10-4/℃)以达到调整的目的。适量的添加TiO2将Mg4Nb2O9陶瓷的烧结温度降低了约100℃,并增强了陶瓷的性能,微波介电性能与其密度呈线性关系。由于添加的TiO2与Mg5Nb4O15反应形成了(Ng,Ti)5(Nb,Ti)4O15第二相,使得TiO2对该陶瓷τf值的调整作用不显著。1300℃、5h烧结添加质量分数为2.5%的TiO2的Mg4Nb2O9陶瓷具有最佳的性能:εr=13.61,Q·f=196620GHz,τf=-5.04×10-5/℃。

(1-x)(Mg_(0.95)Mn_(0.05))_2TiO_4-xCaTiO_3陶瓷的微波介电性能研究

采用传统固相法制备了(1-x)(Mg_(0.95)Mn_(0.05))_2TiO_4-xCaTiO_3微波介质陶瓷,研究CaTiO_3添加量对陶瓷体系物相组成、显微结构以及微波介电性能的影响。XRD分析结果表明,陶瓷样品以(Mg_(0.95)Mn_(0.05))_2TiO_4为主晶相,以CaTiO_3和MgTiO_3作为次晶相存在陶瓷样品中。另外发现添加CaTiO_3能增加陶瓷的致密度,并在1325~1400℃下都能促进陶瓷的烧结。当CaTiO_3的添加量为x=0.12时,复合陶瓷在1375℃烧结4 h时具有最佳的微波介电性能:介电常数ε_r=20.26,品质因数Q×f=35125.9 GHz,τ_f=+2.7×10~(-6)/℃。

MgF_(2)掺杂对0.95MgTiO_(3)-0.05CaTiO_(3)陶瓷结构与微波性能的影响

采用传统固相合成法制备Mg F_(2)掺杂0.95MgTiO_(3)-0.05CaTiO_(3)(95MCT)微波陶瓷,结合X射线衍射谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜及矢量网络分析等表征技术,系统研究Mg F_(2)掺杂对95MCT陶瓷烧结温度、晶体结构、微观形貌与微波性能的影响。结果表明:少量Mg F_(2)掺杂能够促进陶瓷晶粒均匀生长,抑制Ti^(4+)离子向Ti^(3+)离子转变,增强[TiO_(6)]八面体中Ti—O键的结合强度,从而使95MCT陶瓷的品质因子由30 335 GHz提高至89 470 GHz。1 225℃烧结的Mg F_(2)质量分数为1%的95MCT陶瓷具有优异的综合微波性能:相对介电常数ε_(r)约为19.74,品质因子Q×f值约为89 470 GHz,谐振频率温度系数τ_(f)约为-10.2×10^(-6)℃^(-1)。

Ti-B位置换改性Mg_2SiO_4陶瓷微结构与微波介电性能研究

Ti-B位置换改性Mg2SiO4陶瓷微结构和微波介电性能的研究中发现,在合成Mg2SiO4陶瓷过程中,Mg2SiO3总是作为第二相出现,Ti的引入能够有效地抑制Mg2SiO3的出现。但Ti不是进入Si-O四面体取代置换Si形成Mg2(Si1-xTix)O4固溶体,而是Mg与反应形成Mg2TiO4、Mg2Ti2O5等第二相。Mg2(Si1-xTix)O4陶瓷随着值x增加,介电常数εr从6.8增加到8.1,Qf值也获得显著改善,但谐振频率温度系数不会因Ti引入而得到优化。在x=0.1时,Mg2(Si0.9Ti0.1)O4陶瓷获得优良的微波介电性能:εr=7.4,Qf=73760GHz,τf=-60·10-6/℃。

低温烧结Mg_4Nb_2O_9-0.75wt%V_2O_5-1.5wt%Li_2CO_3微波介质陶瓷及其性能研究

采用高能球磨法制备陶瓷,研究了0.75wt%V2O5和1.5wt%Li2CO3共掺杂对Mg4Nb2O9陶瓷的烧结性能和微波介电性能的影响。实验结果表明0.75wt%V2O5和1.5wt%Li2CO3共掺杂有助于Mg4Nb2O9陶瓷在烧结过程中形成液相,促进低温致密化烧结,进而降低陶瓷的烧结温度。900℃烧结Mg4Nb2O9陶瓷,结构致密、组织均匀,平均粒径0.75μm,εr=12.58,Q×f=5539 GHz。随烧结温度升高,晶粒长大,密度升高,εr和Q×f值增大。微波介电性能表征表明Mg4Nb2O9-0.75wt%V2O5-1.5wt%Li2CO3陶瓷在950℃下低温烧结,获得εr=13.07,Q×f=10858GHz的亚微米级陶瓷,其优良的微波介电性能使其有望成为新一代低温烧结低介高频微波介质基板材料。

Mg_4(Mb_(2-x)Sb_x)O_9陶瓷的制备与微波介电性能

采用传统固相反应法制备了Mg4(Nb2-xSbx)O9陶瓷,研究了该材料的烧结性能、物相结构、显微组织和微波介电性能。X射线衍射结果显示,在x小于或等于1.6的范围内,形成了具有α-Al2O3刚玉型晶体结构的连续固溶体,晶轴长度和晶胞体积均随着锑含量的增加而降低。在x等于2.0时,Mg4Sb2O9的物相结构发生了变化,晶轴长度和晶胞体积也发生了突变。当0.4x0.8时,陶瓷的烧结温度从1400℃降低到了1300℃;而当x1.2后,陶瓷的烧结性能和微波介电性能均降低。在1300℃,5h的烧结条件下,Mg4(Nb1.6Sb0.4)O9陶瓷的微波介电常数(εr)为12.26,Q·f为168450GHz。