BaO-Sm2O3-TiO2微波介质陶瓷的低温烧结

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BaO-Sm2O3-TiO2陶瓷是一类典型的高介电常数微波介质陶瓷,作为谐振器与滤波器的关键材料,在微波通讯技术中有着重要作用。该体系具有类钙钛矿钨青铜结构,固溶式为Ba6-3xSm8+2xTi18O54,具有高介电常数、高品质因数和近零的谐振频率温度系数,但是其烧结温度过高,为1350℃~1450℃,因此希望降低其烧结温度。本文以Ba4Sm9.33Ti18O54(简称BST)为基体材料,选用低熔点氧化物和碳酸盐作为烧结助剂,通过X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),微波介电性能测试等分析方法,系统研究了各种烧结助剂对BST陶瓷烧结性能、相组成、显微结构和微波介电性能的影响,同时研究了制备工艺(预烧温度和保温时间)对BST陶瓷性能的影响。  研究了单一烧结助剂B2O3,WO3,Li2CO3和MnCO3对BST陶瓷烧结性能和介电性能的影响。结果表明:1)当B2O3添加量为0.25 wt.%时,在1220℃烧结3h,BST陶瓷获得最佳的介电性能:εr=76.58,Q·f=6794.28 GHz(4.94 GHz),τf=-19.13 ppm/℃。2)当WO3的添加量为0.25 wt.%时,在1280℃烧结3h,BST陶瓷获得最佳的介电性能:εr=80.4,Q·f=11340.85 GHz(4.99 GHz),τf=-23.3 ppm/℃。WO3主要是通过固相反应来促进烧结的,W6+取代Ti4+,在晶格中产生阳离子空位,促进了离子扩散,加速了致密化进程,从而降低了烧结温度和改善了BST陶瓷的介电性能。3)当Li2CO3的添加量为0.1 wt.%时,在1220℃烧结3h,BST陶瓷获得最佳的介电性能:εr=79.33,Q·f=7596.42 GHz(4.95 GHz),τf=-11.88 ppm/℃。4)当MnCO3添加量为0.05 wt.%时,在1240℃烧结3h,BST陶瓷获得较佳的介电性能:εr=81.32,Q·f=9048.12 GHz(5.11 GHz),τf=3.50 ppm/℃。  研究了二元组分B2O3-WO3以及B2O3-Li2CO3复合添加的降温效果以及对BST陶瓷烧结性能和介电性能的影响。结果表明:复合添加0.25wt.%B2O3和0.25wt.% WO3的BST样品,在1180℃烧结3h,介电性能较佳,为:εr=77.32,Qf=5168.15 GHz(5.17 GHz),τf=-6.10 ppm/℃。复合添加0.25 wt.%B2O3和0.05 wt.%Li2CO3的BST样品,在1180℃烧结3h,介电性能较佳,为:εr=78.77,Qf=6149.98GHz(5.07 GHz),τf=-8.96 ppm/℃。从上可知,复合添加B2O3-WO3以及B2O3-Li2CO3比单独添加B2O3,WO3和Li2CO3的烧结温度低,但同时品质因数也有不同程度的下降。  研究了三元组分B2O3-Bi2O3-MnCO3复合添加的降温效果以及对BST陶瓷烧结性能和介电性能的影响。通过L16(44)正交实验确定最佳组成比例是:B2O3为0.25 wt.%,Bi2O3为0.50wt.%,MnCO3为0 wt.%;烧结温度为1180℃。因此选用两种烧结助剂B2O3和Bi2O3,继续研究其最佳添加量和降温效果。结果表明:当B2O3的添加量为0.25 wt.%,Bi2O3添加量为1.0 wt.%时,BST陶瓷获得最佳的介电性能:εr=78.17,Qf=7570.66 GHz(4.99 GHz),τf=-11.66 ppm/℃。与单一添加B2O3相比,烧结温度降低了40℃,并且介电性能有所改善。  研究了工艺条件(如预烧温度,保温时间等)对BST陶瓷性能的影响。结果表明:添加B2O3和Bi2O3的BST陶瓷的最佳预烧温度为1200℃,在1180℃烧结的最佳保温时间为3h,最佳介电性能为:εr=78.17,Q·f=7570.66 GHz(4.99 GHz),τf=-11.66 ppm/℃。
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