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随着航空、航天技术及军事需求的发展,作为相控阵天线重要部件的移相器应具备更高的性能。BST铁电材料是未来最有前途的移相器材料,但过高的介电常数限制了其使用,通常添加金属氧化物和稀土氧化物制成复相BST陶瓷以进行改性。目前铁电陶瓷的制备方法多为固相合成法,因组分混合不均匀及晶粒过大,影响材料的介电性能,因此陶瓷制备及配方设计是目前研究的重点。
本文采用溶胶-凝胶法制备Ba0.5Sr0.5TiO3,在BST溶胶形成过程中,液相引入需掺杂的稀土元素离子,在BST凝胶过程中加入MgO粉体,形成凝胶包裹粉体,经预烧、冷等静压成型、无压烧结制得掺杂稀土氧化物的BST/MgO复相陶瓷。采用DTA/TGA、FI-IR、XRD研究凝胶晶化过程,XRD、TEM、SEM分析物相、粉体形貌、陶瓷微观结构,采用矢量网络分析仪测试陶瓷的微波介电性能。研究表明:
ABO3型结构的BST主要形成于550℃-650℃,在其形成过程中,会生成BaCO3和SrCO3,高温下BaCO3和SrCO3分解成BaO和SrO,并与TiO2反应生成BST,凝胶预烧温度为750℃,陶瓷烧结工艺为1300℃保温2h,陶瓷晶粒尺寸为2-5μm,相对密度达到97%。
由于三种稀土元素的离子半径不同,La3+和Y3+在掺杂量<0.6wt%和<0.4wt%时取代A位,在>0.8wt%和>0.6wt%时取代B位,陶瓷晶面间距随La2O3和Y2O3增加先减小后增大;Ce4+只能少量取代A位,陶瓷晶面间距随CeO2增加只是略微减小。La2O3和CeO2掺杂可以减小晶粒尺寸,Y2O3和CeO2掺杂可以提高陶瓷密度。
介电常数随La2O3和CeO2掺杂量的增加先减小后增大,随Y2O3掺杂量的增加先增大后减小;介电损耗随La2O3和Y2O3掺杂量的增加先减小后增大,随CeO2掺杂量的增加波动减小,La2O3和CeO2可以降低陶瓷的介电损耗。
复合掺杂时,三种稀土氧化物对介电性能的影响与单独掺杂时不同。正交实验表明:在介电常数和介电损耗上的影响大小顺序分别是La2O3、CeO2、Y2O3和CeO2、La2O3、Y2O3。随稀土氧化物掺杂量增加,介电常数总体呈降低趋势,介电损耗整体虽有降低,但波动很大。较好掺杂量为0.2wt%La2O3、0.2wt% CeO2和0.4wt%Y2O3。