(Ca1-xBax)[(Li1/3Nb2/3)0.95Zr0.15)]O3+δ陶瓷微波介电特性

　　为使移动通信设备小型化,在微波电路中需采用多层片式微波器件,因而微波介质材料必须具有较低的烧结温度,以便与高电导率金属材料如Ag或Cu共烧制备多层微波器件。因此,能与Ag或Cu低温共烧的微波介质陶瓷材料的研制倍受关注。在低温烧结的微波介质陶瓷中,锂基Ca(Li1/3Nb2/3)O3-δ陶瓷因其极好的微波介电性能及约1 150℃的低烧结温度而被广泛研究[1]。J.W.Choi等[1-2]用Ti4+、Sn4+及Zr4+取代Ca(Li1/3Nb2/3)O3-δ基陶瓷B位(Li1/3Nb2/3)3.67+,其微波介电特性得到改善。在前期的研究中,我们发现Ca[(Li1/3Nb2/3)0.95Zr0.15]O3+δ(CLNZ)陶瓷在1 150℃下烧结4 h有优越的介电性能,即介电常数εr=31.6,品质因数与频率的乘积Q·f=13 100,谐振频率温度系数τf=-9.4×10-6/℃。为使其适用于多层片式微波器件,其τf需调整至近于零。本文采用CLNZ作为原始组分,研究了Ba2+取代体系A位Ca2+对晶体结构及介电性能的影响,探讨了(Ca1-xBax) [(Li1/3Nb2/3)0.95Zr0.15]O3+δ(0≤x≤0.2,CBLNZ)体系中晶体结构与介电性能间的关系。

　　1　实验过程

　　用纯度大于99. 9%的CaCO3、BaCO3、Li2CO3、Nb2O5及ZrO2原料按化学配比混料,添加去离子水,经4 h行星球磨后烘干;再900℃煅烧2 h,煅烧粉料在去离子水中再球磨3 h,烘干后加入质量分数为5%的PVA造粒,在150 MPa下压制成 16 mm,高度7 ~9 mm的圆柱体。在1 100~1 200℃下,在密闭的Al2O3坩埚中烧结4 h。坩埚中填充同原料的煅烧粉末以形成保护气氛。烧结样品的体积密度由Archimedes排水法测得,用X-射线衍射法(X’Pert PRO,XRD)、CuKα分析烧结样品的物相组成。用网络分析仪(ADVANTESTR3767C),采取Hakki-Coleman开圆柱介质谐振法,TE0ll模,测样品的微波介电性能。τf是把整个夹具置入烘箱内,在20~70℃密闭条件下测得。

　　2　结果与讨论

　　图1、2分别为CBLNZ陶瓷在1 170℃烧结4 h样品的XRD图和SEM照片。由图1可知,当x≤0.025时,为单一正交钙钛矿相,Ba含量进一步增加,体系中开始出现第二相(BaNb2O6)。体系衍射峰的2θ角随Ba含量的增加而减小,衍射峰向低角度方向稍有偏移。这是由于12配位的Ba2+的半径(0.161 nm)大于A位Ca2+的半径(0.134 nm)[3],Ba2+进入体系A位导致体系晶胞参数增大(见表1)。

　　由图2可知,x(Ba)=0的样品,晶粒呈棱角明晰的多面体状,晶界处存在大小不等的气孔;Ba部分取代Ca后,晶粒转变为球形,晶粒均匀一致,随Ba含量的增加,平均粒径增加,气孔减少,x(Ba)=0.05的样品的气孔平均尺寸增大;第二相开始出现,这与图1的检测结果一致。

　　图3为CBLNZ陶瓷微波εr随x值的变化关系。样品εr随Ba的摩尔分数的增加,先由x=0时的31.6增加到x=0.025时的34.3,然后减少到x=0.20时的29.9。由克劳修斯-莫索蒂方程[4]