改性铅基钙钛矿陶瓷的结构与介电性能

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微波通信的迅速发展要求开发出具有高介电常数ε、高Q值与近零温度系数的微波介质陶瓷。本论文突破了常规的在顺电相体系中寻找微波介质材料的思路,利用弛豫铁电体和反铁电体具有高介电常数和较低介电损耗的特点,对铅基钙钛矿陶瓷进行改性,研究其用于高介电常数的高频电容器和微波介质陶瓷的可能性,并对改性铅基钙钛矿陶瓷的结构和性能做了深入的分析。 首先用SrTiO3对驰豫铁电体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3进行改性。因为结构许容因子和电负性差更大,SrTiO3的引入加强了钙钛矿相的稳定性。(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xSrTiO3陶瓷介电常数随成分的变化表现为典型的非线性行为,类似于介电复合法则的串联模型。在(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xSrTiO3陶瓷中,获得了介电常数高达289至2022,而介电损耗维持在10-4左右的陶瓷,同时介电常数温度系数为-2700~-5300ppm/℃。 采用CaTiO3对驰豫铁电体Pb(Fe1/2Nb1/2)O3进行改性。XRD谱表明获得了单相材料,且随着CaTiO3含量的增加对称性逐渐降低,X=0.9时为氧八面体发生畸变的正交或单斜结构。拉曼光谱表明在陶瓷中存在有序微区,分析得出在Pb(Fe1/2Nb1/2)O3中存在B位1∶1有序Fm3m结构的微区,所有成分中出现的800cm-1附近的模是A1g全对称伸缩模。将CaTiO3引入Pb(Fe1/2Nb1/2)O3中获得了具有低介电损耗(tanδ~10-4),高介电常数(165~250)和较小的介电常数温度系数(τε~-800 to -1200ppm/℃)的介电陶瓷。在x=0.9时,获得了较好的微波介电性能组合:εr=164、Qf=6,180GHz和τf=+583ppm/℃。X=0.1时,有显著的非线性介电行为,在电场可调元件中有潜在的应用价值。 采用Ca(Fe1/2Nb1/2)O3对反铁电体PbZrO3进行改性。XRD分析得出,在x=0.2至0.8时出现了第二相(CaZr)O2。X=0.2时结构为菱方结构,当x增加时,结构的对称性先增加后下降。x=0.5和0.6时认为是赝立方相,x=0.8和1时为正交相。800cm-1附近的复合钙钛矿拉曼特征有序峰的出现,证明所有的成分存在B位有序。x=0.2时Fe/Nb有序区弥散在富Zr的基体中。固溶体的介电损耗基本都在10-4的数量级。当x=0.2时,介电常数高达340而介电常数温度系数却只有-790ppm/℃。零温度系数将出现在x=0.6和0.8之间,它的介电常数在55和84之间。较好微波介电性能的组合出现在x=0.4(ε=140、Qf=1,776GHz、τf=+120ppm/℃)。 采用Ca离子置换0.8PbZrO3/0.2Ca(Fe1/2Nb1/2)O3和Zr离子置换0.6PbZrO3/0.4Ca(Fe1/2Nb1/2)O3获得了良好的微波介质陶瓷,如Pb0.6Ca0.4Zr0.9(Fe1/2Nb1/2)0.1O3(εr=1000,Qf=3,600GHz,τf=+6ppm/℃)。Ce、Sn和Ti离子置换Pb0.6Ca0.4[Zr0.9(Fe1/2Nb1/2)0.1]O3时,Sn置换Zr对介电常数和谐振频率改性铅基钙钦矿陶瓷结构与介电性能温度系数影响不大,Ti的置换大幅度提高了介电常数但也导致更大谐振频率温度系数,Ce的置换导致杂相的产生与性能恶化。用形etveld法对Pbo.6Cao.呜Zro.9任el口Nbl曰0.103陶瓷晶体结构做了结构精细化,结果表明结构是Pbnm田Zh’勺(GdFeo3型)正交钙钦矿结构。介电常数与离子的综合指标毗ion3紧密相关。同时,运用加和法则和考虑可变的氧极化率可以对分子介电极化率进行较好的预测。 采用La(Mgl左Til动03对驰豫铁电体Pb(Mgl乃州翰3)03进行改性。在(l一x)Pb伽91门研加)o3一xLa阿gl二Til习伪陶瓷中,虽然随着x的增加许容因子在减小,但电负性差的增大使得钙钦矿相更加稳定。XRD谱分析发现在钙钦矿相中的B位1:1阳离子有序。对超晶格衍射峰的分析得出,随La(Mgl。五1目03含量的增加,氧八面体逐渐发生反相扭转,A位阳离子位移出现在x=0.9。拉曼光谱也证明了有序结构,它对焦绿石第二相不敏感。拉曼光谱中的全对称伸缩振动模的双模行为表明,x=0.3至0.7时结构中同时存在两种有序区,分别为似g:Nb)和〔Mg:(Ti,Nb)]。在这一体系中获得了低损耗(lo勺的高介电常数(36一900)介电陶瓷。氧八面体扭转使介电常数温度系数由负变为正,可望在x=0.7和0.9之间获得近零谐振频率温度系数陶瓷。在x二0.9时获得了Qf值高达21,280GHZ,介电常数为34的微波介电陶瓷。 在Pb伊el几 Nrbl动03一CaTIO3固溶体中发现的介电异常,其原因是Fe将Nb和Ti隔离降低其铁电活性,导致固溶体的居里温度更低,所以顺电相的固溶体介电常数和介电常数温度系数随成分非单调变化。氧八面体扭转能使介电常数温度系数朝正的方向变化的本质是,氧八面体间角吸收热能朝1 800变化,导致纯温度变化对极化率的影响变小。氧八面体扭转对介电性能的影响同样可以用软模理论来解释。钙钦矿结构基元、铁电活性离子和氧八面体扭转是高介电常数和近零谐振频率温度系数的共同特征。改性铅基钙钦矿因为在极化模低频化的同时有更小的非谐性系数,所以能在更大许容因子的情况下获得近零谐振频率温度系数,同时保持高介电常数。
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