【摘要】：微波介質(zhì)陶瓷(MWDC)是電子和移動通訊等相關(guān)產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)支撐材料之一,在無線通訊、衛(wèi)星導(dǎo)航和制導(dǎo),高清衛(wèi)星電視以及無線互聯(lián)局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN和無線WiFi)等許多和生活密切相關(guān)的領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用和巨大的發(fā)展?jié)摿�。本學(xué)位論文通過鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料中的A/B位離子置換、電子能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有序疇和孿晶微結(jié)構(gòu)調(diào)控、亞晶粒絕緣內(nèi)界面層改性等途徑對材料的微波介電性能展開了系統(tǒng)研究。探討了分子極化率、原子堆積密度、離子價態(tài)、價鍵和鍵能等微觀結(jié)構(gòu)與宏觀微波介電性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,同時研究了其在低溫共燒陶瓷(LTCC)方面的應(yīng)用。本論文的主要工作和結(jié)論如下:首先采用CaO-B_2O_3玻璃(簡稱CB)輔助燒結(jié)制備Sr_x La_((1-x))Ti_xAl_((1-x))O_3系微波陶瓷(STLA,x=0.4-0.7),使其燒結(jié)溫度由1550 ~oC下降到1100 ~oC。同時低頻下的介電性能得到顯著提高,室溫下陶瓷體系中最低介電損耗值達(dá)到了6%s10~(-4)。實驗結(jié)果證明陶瓷中的離子有序結(jié)構(gòu)與A位離子反對稱取代和BO_6八面體反相傾斜有關(guān),這一有序結(jié)構(gòu)進(jìn)而導(dǎo)致了材料微波性能的改善。同時A/B位置換離子的半徑差和電價差越大,越有利于A/B位離子有序度的增強(qiáng)。其次采用Zn-B_2O_3燒結(jié)助劑(簡稱ZB)將STO-LAO陶瓷的燒結(jié)溫度由1550~oC降低到1050 ~oC,同時獲得的低溫?zé)Y(jié)陶瓷具有優(yōu)異的微波介電性能。新改性后的0.7Sr_(0.85)Mg_(0.15)TiO_3-0.3LaAlO_3+10 wt%ZB陶瓷其微波介電性能也十分優(yōu)異,特別是其燒結(jié)溫度更低,為950 ~oC。有趣的是,在0.7STO 0.3LAO+y wt%ZB低溫?zé)Y(jié)陶瓷中存在的有序結(jié)構(gòu)來源于B位離子的化學(xué)有序性。隨著ZB的添加,Zn~(2+)離子進(jìn)入了晶格B-位位置,形成了1:2的新有序結(jié)構(gòu),從而提高了陶瓷的微波性能。實驗結(jié)果表明離子尺寸、離子極化率以及晶胞尺寸都與材料的微波介電性能密切相關(guān)。低溫?zé)Y(jié)STO-LAO陶瓷和Ag/Cu電極都具有優(yōu)良的共燒兼容性,同時材料的熱性能測試表明二者的熱膨脹系數(shù)相匹配,并且材料的傳熱性能優(yōu)異,不會在實際使用過程中引入熱應(yīng)力裂紋而導(dǎo)致材料失效。此外,采用一種新的簡易固相相變控制方法成功制備出高性能的純相ZnTiO_3材料。在ZnTiO_3材料基體中引入彌散的納米ZnO微區(qū)后,通過對Zn_2TiO_4第二相的形核和長大的抑制作用,消除了其初始形核區(qū)并成功阻止了Ti離子的體擴(kuò)散和相界遷移,從而在相變溫度以上首次獲得了純相ZnTiO_3。采用快速淬火的準(zhǔn)原位測試手段,揭示出相變過程中存在兩個主導(dǎo)因素,即Ti離子的體擴(kuò)散和相界遷移,兩者對第二相的形核、長大具有非常重要的作用。Rietveld結(jié)構(gòu)精修表明ZnTiO_3相為六方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)R3點群,其晶胞單元為3層密堆結(jié)構(gòu)。在不同層中,晶體滑移方向分別為002和110。而Zn_2TiO_4相則為立方反尖晶石結(jié)構(gòu)Fd3m點群,其晶體滑移方向為111。Zn_2TiO_4第二相對成分具有很強(qiáng)的包容性,其晶格中Zn離子和Ti離子共同占據(jù)16d的Wyckoff晶體學(xué)位置,因此不同的Zn/Ti成分比可對應(yīng)相同晶體結(jié)構(gòu)。本實驗在相變溫度以上成功保持了單相ZnTiO_3結(jié)構(gòu),同時材料具有超低微波介電損耗,與Ag電極的低溫共燒測試也表明其具有優(yōu)異的LTCC特性。同時采用簡單固相反應(yīng)法制備出純相xZn_(0.9)Mg_(0.1)TiO_3~1-xZnNb_2O_6(ZMT-ZN)陶瓷,其具有可隨成分調(diào)節(jié)的出眾的微波介電性能。在較寬的成分區(qū)間,陶瓷的性能溫度穩(wěn)定性十分優(yōu)異。在1000-1100 ~o C溫度下燒結(jié)陶瓷的微波性能可以與高溫?zé)Y(jié)Ba(Mg_(1/3)Ta_(2/3))O_3陶瓷相媲美。實驗中發(fā)現(xiàn)納米ZnO抑制劑在相變溫度以上抑制了第二相的形核和長大,確保ZMT-ZN陶瓷的純相組織,另外通過引入更加絕緣化的晶界和相界等內(nèi)界面結(jié)構(gòu),有效的降低了材料中電子和氧空位等缺陷載流子的傳導(dǎo)。因此,ZMT-ZN陶瓷具有高質(zhì)量的均勻陶瓷組織和單相結(jié)構(gòu)是其優(yōu)異介電性能的深層原因。ZMT-ZN陶瓷的制備成本低、工藝簡單等優(yōu)點也使其有望應(yīng)用于超低損耗微波通訊元器件。最后通過在CaTiO_3陶瓷基體中引入三方相晶格阻礙物—NdAlO_3相,顯著增強(qiáng)了四方相CaTiO_3的晶體對稱性,從而引起了陶瓷體系中(110)-取向?qū)\晶結(jié)構(gòu)向(111)-取向?qū)\晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,進(jìn)而導(dǎo)致了一種新有序結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。實驗揭示出CaTiO_3基材料中的孿晶結(jié)構(gòu)與其晶體對稱性高度相關(guān)。拉曼光譜分峰擬合結(jié)果表明鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料中A位離子周邊環(huán)境對材料的晶格能量和性能具有決定性作用。簡單的A位置換具有更大半徑的陽離子,即可實現(xiàn)對材料對稱性的調(diào)控。而通過A位置換和引入自發(fā)極化機(jī)制,我們得到了一種可調(diào)控的孿晶結(jié)構(gòu)和有序疇結(jié)構(gòu)。特別是壓電力顯微鏡(PFM)、選區(qū)電子衍射花樣(SAED)和高分辨透射電鏡照片(HRTEM)均證實了陶瓷晶粒中可同時存在90度和180度有序疇結(jié)構(gòu)。其中均勻平行排布的90度疇壁和孿晶界對材料中電子/空穴等缺陷載流子遷移和傳輸具有各向異性的阻礙作用,而這一阻礙作用即使在高溫下也十分穩(wěn)定。通過材料中的缺陷組織工程,對材料晶格中的氧離子空位、電子和空穴等缺陷實現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)尺度上的調(diào)控,從而顯著改善了材料的微波介電性能。
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圖 1-1 不同頻段電磁波譜在人類日常生活中的實際應(yīng)用Fig. 1-1 The electromagnetic spectrums of different frequency bands is broad applied in thedaily life of human beings.

圖 1-1 不同頻段電磁波譜在人類日常生活中的實際應(yīng)用Fig. 1-1 The electromagnetic spectrums of different frequency bands is broad applied in thedaily life of human beings.圖 1-2 微波在電磁波全譜中的對應(yīng)的特定區(qū)段為 300MHz-30GHzFig. 1-2 The corresponding segment of microwave frequency band located in 300MHz to30GHz range of the electromagnetic spectrum.
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ174.75
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本文編號：2663089