MgTiO3基微波介质陶瓷的结构与性能

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本文采用传统的固相法制备了钛酸镁经过多种途径改性后的陶瓷样品,其中包括形成镁过量的非化学计量钛酸镁陶瓷、加入锡进行B位取代的Mg(Ti,Sn)O3陶瓷以及引入SrTiO3形成的复合陶瓷。并采用XRD、SEM、微波介电性能测试等分析测试手段对样品的性能进行表征,从而确定出恰当的离子掺杂量及烧结条件,并分析其改性效果、研究改性机理。  通过对Mg/Ti分别为1、1.02、1.04、1.05、1.07的组成进行研究后,可以看到,随着镁含量的增加,在Mg/Ti=1时出现的MgTi2O5杂相逐渐消失,在Mg/Ti为1.02时获得了只含单相MgTiO3的陶瓷,当超过1.02时会有新的杂相Mg2TiO4出现。同时,介电常数和谐振频率温度系数受镁含量的影响非常小,它们的值几乎不变,而品质因数随组成的变化比较敏感,随着镁含量的增加先增大后减小,在Mg/Ti为1.02时获得了最大值。综合来看,组成为Mg/Ti=1.02并在1390℃/4h条件下烧结,可获得具有良好微波介电性能的MgTiO3陶瓷样品:εr=17.0,Qf=168,000GHz(10GHz),τf=-51ppm/℃。  通过研究向MgTiO3(Mg/Ti=1.02)中掺入Sn4+形成的Mg(Ti1-xSnx)O3陶瓷系统(x=0、0.03、0.05、0.07、0.10、0.15),结果表明,样品中均具有MgTiO3型钛铁矿结构,不含或含微量杂相,结晶状况良好,当x=0.05时,可得到单相的样品。本次实验得到的品质因数Qf值比纯钛酸镁陶瓷的要大得多。随烧结温度的增加,介电常数εr值、密度及品质因数Qf都是先增加后减小。x=0.05的组成在1390℃/4h烧结时,获得了较好的性能:体积密度ρ=4.07g·cm-3、εr=17.4、Qf=322,000GHz(10GHz)、τf=-54ppm/℃。  向Mg(Ti0.95Sn0.05)O3中掺入锶后,形成了两相复合的(1-x)Mg(Ti0.95Sn0.05)O3-xSrTiO3陶瓷体系,主晶相为钛铁矿结构的MgTiO3相,次晶相为钙钛矿型的SrTiO3相;适量SrTiO3不仅能通过填补晶粒间的空隙和生成液相来加速传质、促进材料烧结致密,还有助于改善介电常数和谐振频率温度系数;x为0.05、在1360℃/4h烧结时的样品微观形貌较好、气孔极少、致密化程度较高(ρ=4.15g·cm-3),具有较好的综合性能:高的介电常数εr=21.5、高的品质因数Qf=185,000GHz(10GHz)、近零的频率温度系数τf=-2.3ppm/℃。
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