TiO2-ZrO2–Nb2O5介电陶瓷的研究

1、LOGO 指导教师：吴强教授指导教师：吴强教授TiO2-ZrO2Nb2O5介电陶瓷的研究介电陶瓷的研究n班级：班级：1111级无非一班级无非一班n学生：刘平学生：刘平n学号：学号：20111132011113n最近几年来，移动通信、卫星定位系统(GPS)、蓝牙以及无线局域网(WLA)等现代通信业的飞速发展，带动了现代通信相关元器件的需求。也就形成了庞大的微波谐振器、振荡器、移相器、滤波器、微波电容器以及微波基板等元器件市场，再加上微波介质陶瓷材料制作的谐振器等微波元器件具有体积小、性能稳定、价格便宜等优点，在现代通信工具的微型化、片式化、集成化起着非常重要的作用，所以微波介质陶瓷也发展得很快，

2、其需求量也迅速扩大，正是由于这种强烈的需求，所以人们对微波介质陶瓷进行了广泛且深入的研究，陆续研究出新的材料体系。想要这些体系得到工业应用，就需要在性能上满足高介电常数、低介电损耗和良好的频率稳定性，当然还要求较低的成本。nTiO2-ZrO2Nb2O5系是一种典型的中等介电常数微波陶瓷材料，比(Zr0.8Sn0.2)TiO4陶瓷性能更好。研究的背景及意义研究的背景及意义 实验工艺流程实验工艺流程 实验配方实验配方 预烧曲线预烧曲线室温-200，升温时间120分钟；200-400，升温时间为120分钟；400-900，升温时间为120分钟；900-1100，升温时间为120分钟；1100保温36

3、0分钟，然后让其自然冷却。 烧成曲线烧成曲线室温-600 升温时间为540分钟；600-600保温时间为30分钟；600-900 升温时间为180分钟；900-1280升温时间为120分钟；1280-1280保温时间为360分钟；自然降温。试样的烧成曲线如图所示微波介电性能的测量微波介电性能的测量 微波介质陶瓷的介电性能测量，主要是测量材料在微波频率下的相微波介质陶瓷的介电性能测量，主要是测量材料在微波频率下的相对介电常数对介电常数r，品质因素，品质因素Qf值和谐振频率温度系数值和谐振频率温度系数f。本实验采用平。本实验采用平行板介质谐振器法（也称开腔法）测量样品介电常数行板介质谐振器法（也称

4、开腔法）测量样品介电常数r；金属谐振腔法；金属谐振腔法（也称闭腔法）测量样品的品质因素（也称闭腔法）测量样品的品质因素Qf值和谐振频率温度系数值和谐振频率温度系数f。平行板介质谐振器法测量介电常数平行板介质谐振器法测量介电常数ru平行板介质谐振器法又称开腔法，也是国际上常用的一种方法。此平行板介质谐振器法又称开腔法，也是国际上常用的一种方法。此测量方法对样品的介电常数测量具有较高的精度，但是对样品的品质测量方法对样品的介电常数测量具有较高的精度，但是对样品的品质因素因素Qf值测量精度较差（它是将圆柱型样品夹在两块平行导电板之值测量精度较差（它是将圆柱型样品夹在两块平行导电板之间，使其构成一个间

5、，使其构成一个TE011谐振模式的谐振器，通过计算机得出材料的谐振模式的谐振器，通过计算机得出材料的r，其精度达到，其精度达到/r0.3%;Q/Q30%)。u开腔平板谐振腔示意图如图开腔平板谐振腔示意图如图3-4所示，所示，“开腔法开腔法”是将长度为是将长度为L，直，直径为径为D（L/D=0.51）的圆柱样品放置于两块镀金的平行板之间的）的圆柱样品放置于两块镀金的平行板之间的中心位置，通过耦合探针激励谐振器内样品的中心位置，通过耦合探针激励谐振器内样品的TE011谐振模式。再通谐振模式。再通过计算机求解一个对谐振频率过计算机求解一个对谐振频率f、介电常数、介电常数r和样品谐振器尺寸的超和样品谐

6、振器尺寸的超越方程，而计算出其中心谐振频率越方程，而计算出其中心谐振频率f0和介电常数和介电常数。 金属谐振腔法测量品质因素金属谐振腔法测量品质因素Qf和谐振频率温度系数和谐振频率温度系数f 金属谐振器法，又称闭腔法因为样品在封闭的空间内进行测量，可有效金属谐振器法，又称闭腔法因为样品在封闭的空间内进行测量，可有效的防止电磁能辐射，提高无载的防止电磁能辐射，提高无载Qf值，对材料值，对材料Qf值得测量具有较高精度值得测量具有较高精度，同时对谐振频率温度系数，同时对谐振频率温度系数f的测量也具有较高的精度。的测量也具有较高的精度。 闭腔法是将长度为闭腔法是将长度为L，直径为，直径为D（L/D=0

7、.51）的圆柱样品放置于腔）的圆柱样品放置于腔体中心的聚四氟乙烯支撑物体中心的聚四氟乙烯支撑物(墩子墩子)之上，通过耦合探针激励谐振器内的样之上，通过耦合探针激励谐振器内的样品品TE011谐振模式，再通过计算机解一个对谐振频率谐振模式，再通过计算机解一个对谐振频率f、介电常数、介电常数r和样品尺和样品尺寸的超越方程得到样品的寸的超越方程得到样品的Qf值和谐振中心频率值和谐振中心频率f0，然后根据在不同温度下，然后根据在不同温度下测量的中心频率差值测量的中心频率差值f推算出谐振频率温度系数推算出谐振频率温度系数f 。本实验采用水煮法来侧体积密度，计算公式为：=m1D1/(m3-m2)100% 式

8、中各符号的意义为： m1干燥试样的质量（g） m2饱和试样的表观质量（g） m3饱和试样在空气中的质量（g） D1实验温度下的浸渍液体的密度（g） 体积密度（g/cm3） 体积密度的测量步骤体积密度的测量步骤 测量体积密度的步骤如下：测量体积密度的步骤如下： 1.把试样表面的灰尘擦干净，然后放在电炉中煮沸下把试样表面的灰尘擦干净，然后放在电炉中煮沸下1小时。小时。自然冷却到室温。自然冷却到室温。 2.饱和试样表观质量测定：将饱和试样快速移到带溢流管容器饱和试样表观质量测定：将饱和试样快速移到带溢流管容器的浸液中，待浸液全部淹没试样后，把试样吊在天平的挂钩上称的浸液中，待浸液全部淹没试样后，把试

9、样吊在天平的挂钩上称量，得到饱和试样的表观质量量，得到饱和试样的表观质量m2，精确至，精确至0.001g。 3.饱和试样质量测定：用镊子把式样从浸液中取出，用饱和了饱和试样质量测定：用镊子把式样从浸液中取出，用饱和了湿毛巾擦去试样表面的液滴，然后快速的称量饱和试样在空气中湿毛巾擦去试样表面的液滴，然后快速的称量饱和试样在空气中质量质量m3。精确至。精确至0.001g。 4. 称量试样的质量称量试样的质量m1，精确到，精确到0.001g。 xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6材料的合成材料的合成为了得到比较好的合成温度，我们将配方相同（也就是A配方）按图3-1工艺流程来制备A1, A2, A

10、3不同编号的坯体，然后将坯体在不同温度下合成，合成之后观察粉末的情况，以此来获得最佳的合成温度。该实验所得到的实验结果如表4-1所示。 xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6材料的合成材料的合成 我们知道，合成温度越高，粉末的收缩就越大，粉末收缩在1150时达到最大。从工艺的角度来看，预烧有助于粉末的收缩，但是并不是收缩越大越好，因为收缩程度过大带来的结果是粉末结团，变硬，从而导致粉团不易研细，给粉团的粉碎带来了困难。所以预烧温度不是越高越好，预烧粉末的收缩并不是越大越好。由表4-1实验的结果的对比可知，1100是最好合成温度。另外，预烧的目的是材料形成了主晶相。果与分xZnNb2O6(1-

11、x)ZrTi2O6陶瓷晶体陶瓷晶体结构结构分析分析u xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷晶体结构分析陶瓷晶体结构分析 图图4-1是是0.78ZT-0.22ZN陶瓷在陶瓷在1300保温保温4 h的所得到的的所得到的 XRD 图谱。由图可以看出主晶相是图谱。由图可以看出主晶相是ZrTiO4，还有，还有TiZrO6以及（以及（Ti,Zr）O2固固溶体的副相，金红石型的溶体的副相，金红石型的TiO2是属于四方晶系，而是属于四方晶系，而ZrO2是属于立方晶系是属于立方晶系，根据固溶体的概念（固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相，根据固溶体的概念（固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的

12、互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等）只有属于晶型相同的物质才置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等）只有属于晶型相同的物质才能形成固溶体，而能形成固溶体，而TiO2和和ZrO2不属于同种晶型不能形成固溶体，但是不属于同种晶型不能形成固溶体，但是ZrO2在在9301230时会发生多晶转变，由立方晶系转变为四方晶系，时会发生多晶转变，由立方晶系转变为四方晶系，那么那么TiO2和和ZrO2就能形成固溶体，就能形成固溶体，ZrTiO4具有具有PbO2型的正交晶体结型的正交晶体结构构27。 ZnNb2O6主要是正交晶系矿物的铌铁矿主要是正交晶系矿物的铌铁矿FeNb2O6的同构体，与的同构体，与Z

13、rTiO4是同一个晶系，不同的空间点群是同一个晶系，不同的空间点群27。所以。所以ZnNb2O6的衍射峰值的衍射峰值与与ZrTiO4发生了重叠，在图发生了重叠，在图4-1没有标出。没有标出。实验结果及分析实验结果及分析实验结果及分析实验结果及分析u xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷显微结构的分析陶瓷显微结构的分析 图图4-2为为0.78ZT-0.22ZN陶瓷在陶瓷在1300 下烧结样品的断面扫描下烧结样品的断面扫描电镜图。从图电镜图。从图4-2中我们可以看到，出现的是长条形和椭圆形的颗粒形貌中我们可以看到，出现的是长条形和椭圆形的颗粒形貌，没有立方形貌的颗粒。，没有立方形貌的颗粒。

14、ZT和和ZN只能形成低对称型的晶体颗粒只能形成低对称型的晶体颗粒28。如。如正交晶系，这与正交晶系，这与XRD的结果相吻合。的结果相吻合。实验结果及分析实验结果及分析不同的ZnNb2O6对 xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷介电性能的影响 ZnNb2O6/ ZrTi2O6陶瓷介电性能的实验结果如表4-2所示。介电常数随ZnNb2O6 mol量的变化图 把表4-2的ZnNb2O6/ ZrTi2O6对材料介电常数的影响结果用图43所示。由图4-3可知，ZnNb2O6的含量增大时，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介电常数r减小。这是因为ZnNb2O6的介电常数r是25，ZrT

15、i2O6的介电常数r是52，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介电常数是由ZnNb2O6和ZrTi2O6相含量所决定29。ZnNb2O6的介电常数低于ZrTi2O6的介电常数，当低介电常数ZnNb2O6的相不断增加，所以xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介电常数r会随着ZnNb2O6的含量增加而减小。实验结果及分析实验结果及分析Qf值随值随ZnNb2O6 mol量的变化图量的变化图频率温度系数f随ZnNb2O6 mol量的变化实验结果与分析 由图4-5可知，ZnNb2O6的含量增大时，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的频率温度系数在向负方向偏移，这是因为Zr

16、Ti2O6的频率温度系数f为8410-6/，而ZnNb2O6的频率温度系数f为3810-6/31，由f =公式可以知道，随着ZnNb2O6的含量增加，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的f向负方向偏移31。微波陶瓷的应用研究表明：f趋近于零的微波陶瓷，其温度稳定性最好。从表4-2可以看出，当ZnNb2O6加入量为28at，得到了r为42.74、Qf为30734、f为0.5910-6/的微波陶瓷，与设计指标接近。综上所述 ：ZnNb2O6的含量增大时，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介电常数r减小，Qf值升高，频率温度系数f朝着负方向移动。结论1. 0.22ZnNb2O6

17、0.78ZrTi2O6陶瓷烧块在1100下合成，粉末收缩大，易研细，工艺性能良好。烧结后陶瓷的主晶相是ZrTiO4，还有TiZrO6以及（Ti,Zr）O2的副相，ZnNb2O6的衍射峰值与ZrTiO4发生了重叠。2. xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介电常数随着ZnNb2O6的含量增大而减小，Qf值随着ZnNb2O6的含量增大而减小；频率温度系数随着ZnNb2O6的含量增大而向负方向偏移。 3. xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷，当x（ZnNb2O6）加入量为28at，得到了r为42.74、Qf为30734、f为0.5910-6/的微波陶瓷。致致谢谢毕业论文不仅是对大学所学专业知识的一个重要总结，也是对这四年来