TiO2-ZrO2–Nb2O5介電陶瓷的研究

1、LOGO 指導(dǎo)教師：吳強(qiáng)教授指導(dǎo)教師：吳強(qiáng)教授TiO2-ZrO2Nb2O5介電陶瓷的研究介電陶瓷的研究n班級(jí)：班級(jí)：1111級(jí)無(wú)非一班級(jí)無(wú)非一班n學(xué)生：劉平學(xué)生：劉平n學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：20111132011113n最近幾年來(lái)，移動(dòng)通信、衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、藍(lán)牙以及無(wú)線局域網(wǎng)(WLA)等現(xiàn)代通信業(yè)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了現(xiàn)代通信相關(guān)元器件的需求。也就形成了龐大的微波諧振器、振蕩器、移相器、濾波器、微波電容器以及微波基板等元器件市場(chǎng)，再加上微波介質(zhì)陶瓷材料制作的諧振器等微波元器件具有體積小、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代通信工具的微型化、片式化、集成化起著非常重要的作用，所以微波介質(zhì)陶瓷也發(fā)展得很快，

2、其需求量也迅速擴(kuò)大，正是由于這種強(qiáng)烈的需求，所以人們對(duì)微波介質(zhì)陶瓷進(jìn)行了廣泛且深入的研究，陸續(xù)研究出新的材料體系。想要這些體系得到工業(yè)應(yīng)用，就需要在性能上滿足高介電常數(shù)、低介電損耗和良好的頻率穩(wěn)定性，當(dāng)然還要求較低的成本。nTiO2-ZrO2Nb2O5系是一種典型的中等介電常數(shù)微波陶瓷材料，比(Zr0.8Sn0.2)TiO4陶瓷性能更好。研究的背景及意義研究的背景及意義 實(shí)驗(yàn)工藝流程實(shí)驗(yàn)工藝流程 實(shí)驗(yàn)配方實(shí)驗(yàn)配方 預(yù)燒曲線預(yù)燒曲線室溫-200，升溫時(shí)間120分鐘；200-400，升溫時(shí)間為120分鐘；400-900，升溫時(shí)間為120分鐘；900-1100，升溫時(shí)間為120分鐘；1100保溫36

3、0分鐘，然后讓其自然冷卻。 燒成曲線燒成曲線室溫-600 升溫時(shí)間為540分鐘；600-600保溫時(shí)間為30分鐘；600-900 升溫時(shí)間為180分鐘；900-1280升溫時(shí)間為120分鐘；1280-1280保溫時(shí)間為360分鐘；自然降溫。試樣的燒成曲線如圖所示微波介電性能的測(cè)量微波介電性能的測(cè)量 微波介質(zhì)陶瓷的介電性能測(cè)量，主要是測(cè)量材料在微波頻率下的相微波介質(zhì)陶瓷的介電性能測(cè)量，主要是測(cè)量材料在微波頻率下的相對(duì)介電常數(shù)對(duì)介電常數(shù)r，品質(zhì)因素，品質(zhì)因素Qf值和諧振頻率溫度系數(shù)值和諧振頻率溫度系數(shù)f。本實(shí)驗(yàn)采用平。本實(shí)驗(yàn)采用平行板介質(zhì)諧振器法（也稱開腔法）測(cè)量樣品介電常數(shù)行板介質(zhì)諧振器法（也稱

4、開腔法）測(cè)量樣品介電常數(shù)r；金屬諧振腔法；金屬諧振腔法（也稱閉腔法）測(cè)量樣品的品質(zhì)因素（也稱閉腔法）測(cè)量樣品的品質(zhì)因素Qf值和諧振頻率溫度系數(shù)值和諧振頻率溫度系數(shù)f。平行板介質(zhì)諧振器法測(cè)量介電常數(shù)平行板介質(zhì)諧振器法測(cè)量介電常數(shù)ru平行板介質(zhì)諧振器法又稱開腔法，也是國(guó)際上常用的一種方法。此平行板介質(zhì)諧振器法又稱開腔法，也是國(guó)際上常用的一種方法。此測(cè)量方法對(duì)樣品的介電常數(shù)測(cè)量具有較高的精度，但是對(duì)樣品的品質(zhì)測(cè)量方法對(duì)樣品的介電常數(shù)測(cè)量具有較高的精度，但是對(duì)樣品的品質(zhì)因素因素Qf值測(cè)量精度較差（它是將圓柱型樣品夾在兩塊平行導(dǎo)電板之值測(cè)量精度較差（它是將圓柱型樣品夾在兩塊平行導(dǎo)電板之間，使其構(gòu)成一個(gè)間

5、，使其構(gòu)成一個(gè)TE011諧振模式的諧振器，通過(guò)計(jì)算機(jī)得出材料的諧振模式的諧振器，通過(guò)計(jì)算機(jī)得出材料的r，其精度達(dá)到，其精度達(dá)到/r0.3%;Q/Q30%)。u開腔平板諧振腔示意圖如圖開腔平板諧振腔示意圖如圖3-4所示，所示，“開腔法開腔法”是將長(zhǎng)度為是將長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直，直徑為徑為D（L/D=0.51）的圓柱樣品放置于兩塊鍍金的平行板之間的）的圓柱樣品放置于兩塊鍍金的平行板之間的中心位置，通過(guò)耦合探針激勵(lì)諧振器內(nèi)樣品的中心位置，通過(guò)耦合探針激勵(lì)諧振器內(nèi)樣品的TE011諧振模式。再通諧振模式。再通過(guò)計(jì)算機(jī)求解一個(gè)對(duì)諧振頻率過(guò)計(jì)算機(jī)求解一個(gè)對(duì)諧振頻率f、介電常數(shù)、介電常數(shù)r和樣品諧振器尺寸的超和樣品諧

6、振器尺寸的超越方程，而計(jì)算出其中心諧振頻率越方程，而計(jì)算出其中心諧振頻率f0和介電常數(shù)和介電常數(shù)。 金屬諧振腔法測(cè)量品質(zhì)因素金屬諧振腔法測(cè)量品質(zhì)因素Qf和諧振頻率溫度系數(shù)和諧振頻率溫度系數(shù)f 金屬諧振器法，又稱閉腔法因?yàn)闃悠吩诜忾]的空間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，可有效金屬諧振器法，又稱閉腔法因?yàn)闃悠吩诜忾]的空間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，可有效的防止電磁能輻射，提高無(wú)載的防止電磁能輻射，提高無(wú)載Qf值，對(duì)材料值，對(duì)材料Qf值得測(cè)量具有較高精度值得測(cè)量具有較高精度，同時(shí)對(duì)諧振頻率溫度系數(shù)，同時(shí)對(duì)諧振頻率溫度系數(shù)f的測(cè)量也具有較高的精度。的測(cè)量也具有較高的精度。 閉腔法是將長(zhǎng)度為閉腔法是將長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為，直徑為D（L/D=0

7、.51）的圓柱樣品放置于腔）的圓柱樣品放置于腔體中心的聚四氟乙烯支撐物體中心的聚四氟乙烯支撐物(墩子墩子)之上，通過(guò)耦合探針激勵(lì)諧振器內(nèi)的樣之上，通過(guò)耦合探針激勵(lì)諧振器內(nèi)的樣品品TE011諧振模式，再通過(guò)計(jì)算機(jī)解一個(gè)對(duì)諧振頻率諧振模式，再通過(guò)計(jì)算機(jī)解一個(gè)對(duì)諧振頻率f、介電常數(shù)、介電常數(shù)r和樣品尺和樣品尺寸的超越方程得到樣品的寸的超越方程得到樣品的Qf值和諧振中心頻率值和諧振中心頻率f0，然后根據(jù)在不同溫度下，然后根據(jù)在不同溫度下測(cè)量的中心頻率差值測(cè)量的中心頻率差值f推算出諧振頻率溫度系數(shù)推算出諧振頻率溫度系數(shù)f 。本實(shí)驗(yàn)采用水煮法來(lái)側(cè)體積密度，計(jì)算公式為：=m1D1/(m3-m2)100% 式

8、中各符號(hào)的意義為： m1干燥試樣的質(zhì)量（g） m2飽和試樣的表觀質(zhì)量（g） m3飽和試樣在空氣中的質(zhì)量（g） D1實(shí)驗(yàn)溫度下的浸漬液體的密度（g） 體積密度（g/cm3） 體積密度的測(cè)量步驟體積密度的測(cè)量步驟 測(cè)量體積密度的步驟如下：測(cè)量體積密度的步驟如下： 1.把試樣表面的灰塵擦干凈，然后放在電爐中煮沸下把試樣表面的灰塵擦干凈，然后放在電爐中煮沸下1小時(shí)。小時(shí)。自然冷卻到室溫。自然冷卻到室溫。 2.飽和試樣表觀質(zhì)量測(cè)定：將飽和試樣快速移到帶溢流管容器飽和試樣表觀質(zhì)量測(cè)定：將飽和試樣快速移到帶溢流管容器的浸液中，待浸液全部淹沒(méi)試樣后，把試樣吊在天平的掛鉤上稱的浸液中，待浸液全部淹沒(méi)試樣后，把試

9、樣吊在天平的掛鉤上稱量，得到飽和試樣的表觀質(zhì)量量，得到飽和試樣的表觀質(zhì)量m2，精確至，精確至0.001g。 3.飽和試樣質(zhì)量測(cè)定：用鑷子把式樣從浸液中取出，用飽和了飽和試樣質(zhì)量測(cè)定：用鑷子把式樣從浸液中取出，用飽和了濕毛巾擦去試樣表面的液滴，然后快速的稱量飽和試樣在空氣中濕毛巾擦去試樣表面的液滴，然后快速的稱量飽和試樣在空氣中質(zhì)量質(zhì)量m3。精確至。精確至0.001g。 4. 稱量試樣的質(zhì)量稱量試樣的質(zhì)量m1，精確到，精確到0.001g。 xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6材料的合成材料的合成為了得到比較好的合成溫度，我們將配方相同（也就是A配方）按圖3-1工藝流程來(lái)制備A1, A2, A

10、3不同編號(hào)的坯體，然后將坯體在不同溫度下合成，合成之后觀察粉末的情況，以此來(lái)獲得最佳的合成溫度。該實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4-1所示。 xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6材料的合成材料的合成 我們知道，合成溫度越高，粉末的收縮就越大，粉末收縮在1150時(shí)達(dá)到最大。從工藝的角度來(lái)看，預(yù)燒有助于粉末的收縮，但是并不是收縮越大越好，因?yàn)槭湛s程度過(guò)大帶來(lái)的結(jié)果是粉末結(jié)團(tuán)，變硬，從而導(dǎo)致粉團(tuán)不易研細(xì)，給粉團(tuán)的粉碎帶來(lái)了困難。所以預(yù)燒溫度不是越高越好，預(yù)燒粉末的收縮并不是越大越好。由表4-1實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的對(duì)比可知，1100是最好合成溫度。另外，預(yù)燒的目的是材料形成了主晶相。果與分xZnNb2O6(1-

11、x)ZrTi2O6陶瓷晶體陶瓷晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析分析u xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷晶體結(jié)構(gòu)分析陶瓷晶體結(jié)構(gòu)分析 圖圖4-1是是0.78ZT-0.22ZN陶瓷在陶瓷在1300保溫保溫4 h的所得到的的所得到的 XRD 圖譜。由圖可以看出主晶相是圖譜。由圖可以看出主晶相是ZrTiO4，還有，還有TiZrO6以及（以及（Ti,Zr）O2固固溶體的副相，金紅石型的溶體的副相，金紅石型的TiO2是屬于四方晶系，而是屬于四方晶系，而ZrO2是屬于立方晶系是屬于立方晶系，根據(jù)固溶體的概念（固溶體指的是礦物一定結(jié)晶構(gòu)造位置上離子的互相，根據(jù)固溶體的概念（固溶體指的是礦物一定結(jié)晶構(gòu)造位置上離子的

12、互相置換，而不改變整個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)及對(duì)稱性等）只有屬于晶型相同的物質(zhì)才置換，而不改變整個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)及對(duì)稱性等）只有屬于晶型相同的物質(zhì)才能形成固溶體，而能形成固溶體，而TiO2和和ZrO2不屬于同種晶型不能形成固溶體，但是不屬于同種晶型不能形成固溶體，但是ZrO2在在9301230時(shí)會(huì)發(fā)生多晶轉(zhuǎn)變，由立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，時(shí)會(huì)發(fā)生多晶轉(zhuǎn)變，由立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄担敲茨敲碩iO2和和ZrO2就能形成固溶體，就能形成固溶體，ZrTiO4具有具有PbO2型的正交晶體結(jié)型的正交晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)27。 ZnNb2O6主要是正交晶系礦物的鈮鐵礦主要是正交晶系礦物的鈮鐵礦FeNb2O6的同構(gòu)體，與的同構(gòu)體，與Z

13、rTiO4是同一個(gè)晶系，不同的空間點(diǎn)群是同一個(gè)晶系，不同的空間點(diǎn)群27。所以。所以ZnNb2O6的衍射峰值的衍射峰值與與ZrTiO4發(fā)生了重疊，在圖發(fā)生了重疊，在圖4-1沒(méi)有標(biāo)出。沒(méi)有標(biāo)出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析u xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的分析陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的分析 圖圖4-2為為0.78ZT-0.22ZN陶瓷在陶瓷在1300 下燒結(jié)樣品的斷面掃描下燒結(jié)樣品的斷面掃描電鏡圖。從圖電鏡圖。從圖4-2中我們可以看到，出現(xiàn)的是長(zhǎng)條形和橢圓形的顆粒形貌中我們可以看到，出現(xiàn)的是長(zhǎng)條形和橢圓形的顆粒形貌，沒(méi)有立方形貌的顆粒。，沒(méi)有立方形貌的顆粒。

14、ZT和和ZN只能形成低對(duì)稱型的晶體顆粒只能形成低對(duì)稱型的晶體顆粒28。如。如正交晶系，這與正交晶系，這與XRD的結(jié)果相吻合。的結(jié)果相吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析不同的ZnNb2O6對(duì) xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷介電性能的影響 ZnNb2O6/ ZrTi2O6陶瓷介電性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4-2所示。介電常數(shù)隨ZnNb2O6 mol量的變化圖 把表4-2的ZnNb2O6/ ZrTi2O6對(duì)材料介電常數(shù)的影響結(jié)果用圖43所示。由圖4-3可知，ZnNb2O6的含量增大時(shí)，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介電常數(shù)r減小。這是因?yàn)閆nNb2O6的介電常數(shù)r是25，ZrT

15、i2O6的介電常數(shù)r是52，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介電常數(shù)是由ZnNb2O6和ZrTi2O6相含量所決定29。ZnNb2O6的介電常數(shù)低于ZrTi2O6的介電常數(shù)，當(dāng)?shù)徒殡姵?shù)ZnNb2O6的相不斷增加，所以xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介電常數(shù)r會(huì)隨著ZnNb2O6的含量增加而減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析Qf值隨值隨ZnNb2O6 mol量的變化圖量的變化圖頻率溫度系數(shù)f隨ZnNb2O6 mol量的變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 由圖4-5可知，ZnNb2O6的含量增大時(shí)，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的頻率溫度系數(shù)在向負(fù)方向偏移，這是因?yàn)閆r

16、Ti2O6的頻率溫度系數(shù)f為8410-6/，而ZnNb2O6的頻率溫度系數(shù)f為3810-6/31，由f =公式可以知道，隨著ZnNb2O6的含量增加，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的f向負(fù)方向偏移31。微波陶瓷的應(yīng)用研究表明：f趨近于零的微波陶瓷，其溫度穩(wěn)定性最好。從表4-2可以看出，當(dāng)ZnNb2O6加入量為28at，得到了r為42.74、Qf為30734、f為0.5910-6/的微波陶瓷，與設(shè)計(jì)指標(biāo)接近。綜上所述 ：ZnNb2O6的含量增大時(shí)，xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介電常數(shù)r減小，Qf值升高，頻率溫度系數(shù)f朝著負(fù)方向移動(dòng)。結(jié)論1. 0.22ZnNb2O6

17、0.78ZrTi2O6陶瓷燒塊在1100下合成，粉末收縮大，易研細(xì)，工藝性能良好。燒結(jié)后陶瓷的主晶相是ZrTiO4，還有TiZrO6以及（Ti,Zr）O2的副相，ZnNb2O6的衍射峰值與ZrTiO4發(fā)生了重疊。2. xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷的介電常數(shù)隨著ZnNb2O6的含量增大而減小，Qf值隨著ZnNb2O6的含量增大而減小；頻率溫度系數(shù)隨著ZnNb2O6的含量增大而向負(fù)方向偏移。 3. xZnNb2O6(1-x)ZrTi2O6陶瓷，當(dāng)x（ZnNb2O6）加入量為28at，得到了r為42.74、Qf為30734、f為0.5910-6/的微波陶瓷。致致謝謝畢業(yè)論文不僅是對(duì)大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的一個(gè)重要總結(jié)，也是對(duì)這四年來(lái)