Nb5+取代對Li2ZnTi308陶瓷結構和性能的影響

陳賢　包晨偉　仲慶　朱浩淳　朱天溯

[摘要]首先嘗試用B位取代Ti4+位，研究其對Li2ZnTi308陶瓷結構與微波介電性能的影響，并探索了Li2ZnTi308陶瓷的改性機理。本章研究了x（x=0.02～0.20）對Li2Zn（Til-xSnx）308（M=Nb）陶瓷燒結性能、物相組成、顯微組織及微波介電性能的影響，從而確定最理想的x值和燒結溫度。

[關鍵詞]Li2ZnTi308陶瓷 微波介電性能 離子取代

微波介質(zhì)陶瓷元器件自二十世紀八十年代進入規(guī)模應用，到現(xiàn)在研究成為了現(xiàn)在微波通信產(chǎn)業(yè)的基礎性元件。隨著微波通信行業(yè)的不斷發(fā)展，在無線通信高頻化的背景下，具有良好高頻傳輸特性的微波介質(zhì)陶瓷元器件就有了更大的發(fā)展空間。具有在產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2015-2022年中國微波介質(zhì)陶瓷行業(yè)研究與投資前景分析報告》中顯示，近幾年來，WLAN產(chǎn)品、藍牙產(chǎn)品、衛(wèi)星電視接收設備等下游市場領域快速增長，大大提升了微波介質(zhì)陶瓷元器件的市場需求。

隨著現(xiàn)代通信技術的迅速發(fā)展，通信設備使用要求的特殊性使得國民對于通訊系統(tǒng)裝備的分量和尺寸要求越來越高，尤其對于通訊系統(tǒng)中濾波器的小型化、輕便化、低功耗化等方面的要求。然而，當前的濾波器存在著各自的缺點，比如用微帶結構和金屬諧振器構成的濾波器，實現(xiàn)小型化難度太大：聲表面濾波器功率容量較小并且插入損耗過大，限制了其應用范圍。如何解決這些問題呢？高性能的微波介質(zhì)諧振器就出現(xiàn)了。微波介質(zhì)陶瓷制作的微波元器件，具有微型化、低消耗、介電常數(shù)高、頻率溫度系數(shù)小、成本低等長處，常見的有諧振器、濾波器、介質(zhì)天線等。其中微波濾波器更是被廣泛的應用在微波通訊、雷達導航、電子對抗、衛(wèi)星接力、導彈制導等系統(tǒng)中，是微波和毫米波系統(tǒng)中不可或缺的器件，其性能的好壞往往直接影響了整個通信系統(tǒng)的功能。

為了探究如果提高微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)和穩(wěn)定性，降低損耗，本文以Li2ZnTi308陶瓷為實驗對象。通過離子改性研究B位離子置換對Li2ZnTi308陶瓷相組成、顯微組織和微波介電性能的影響規(guī)律，為探索與開發(fā)尖晶石陶瓷新體系提供了新思路。

一、實驗方法

試樣制備以分析純的Li2CO3、ZnO、TiO2、SnO2、Nb2O5粉末作為原始粉料，按照，Li2Zn（Til-xMx）308（M bib，x=0.02～0.20）化學計量比進行配料，球磨混料、分別經(jīng)900℃預燒4小時后，二次球磨、干燥、造粒、壓制成型，將壓制好的生坯在1025～1100℃范圍內(nèi)燒結成陶瓷，保溫時間均為4小時，升溫速率為3℃/min。

二、物相分析

圖1為經(jīng)1075 0C燒結4小時所得Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的XRD圖譜。當x≤0.1時，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷均顯示出單相尖晶石結構，所有的衍射峰均與Li2ZnTi308相一致，說明當x≤0.1時Nb5+能夠取代Ti4+進入Li2ZnTi308晶格中形成固溶體。當x=0.2時，出現(xiàn)了第二相LiZnNb04，說明Nb5+在Li2ZnTi308晶格中固溶度有限。

三、微波介電性能

圖2為經(jīng)1075℃燒結4小時所得Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的相對密度、介電常數(shù)和分子介店極化率之間的關系。從圖中可以明顯看出，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的相對密度變化不大，均在98%以上；當x≤0.1時，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的介電常數(shù)與其分子極化率的變化趨勢一致，這說明其介電常數(shù)主要受其分子極化率的影響。當x>0.1時，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的介電常數(shù)明顯減小，這是第二相LiZnNb04的析出導致的。

圖3為經(jīng)1075℃燒結4小時所得Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的Q×f值，原子堆積密度和τf值。從圖中可以看出隨著x的增大，陶瓷的Q×f值先略有增大后迅速減小，在x=0.10時達到最大值（92324GHz）。Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的τf值隨著x增加而呈現(xiàn)線性減小的趨勢，這是由于Nb-0鍵長大于Ti-0鍵長以及第二相LiZnNb04較低的τf值導致的。當x=0.10時，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷經(jīng)1075℃燒結后具有較好的微波介電性能：εr=30.8，Q×f=92324GHz，τf=16.4ppm/℃。