叠层方式协调优化Ba(Mg1/3Nb2/3)O3陶瓷的微波介电性能研究

With the development of civil microwave devices used at high microwave frequency, Ba(Mg1/3Nb2/3)O3 substitutes for the tantalate complex perovskites and becomes the next generation of microwave dielectric materials used at high frequency because of its high theoretical quality factor. However, the low actural Q value and large temperature coefficient of resonant requency limits its practical application, it is still hard to coordinative optimizing the dielectric properties of BMN. Therefore, this project aims to study the BMN-based ceramic materials. Unconventional simple stacking modes substituting for traditional methods of solid solution substitution and doping will be supported to optimize the dielectric properties of BMN. Dielectric materials with low loss are chosen to form layered composite structure with BMN. The effects of stacking composition, stacking mode, interface microstructure and interfacial stress on the microwave dielectric properties of the layered composite ceramics will be investigated, the influence mechanism of different stacking modes on dielectric properties will be revealed to provide experimental and theoretical basis for designing new microwave dielectric materials with excellent performance.

随着民用微波器件向微波高频段发展，具有较高理论品质因子Q的Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(BMN)成为最有希望替代钽酸盐复合钙钛矿的下一代高频应用型微波介质材料。而BMN偏低的实际Q值和较大的频率温度系数是其获得实际应用的一大障碍，如何协调优化BMN陶瓷的介电性能这一难题仍未得到彻底解决。因此，本项目拟以BMN基陶瓷材料为主要研究对象，摒弃传统的固溶置换和掺杂的方法，而采用非常规的简单叠层组合方式来协调优化BMN的介电性能，选择低损耗且具有负频率温度系数的钙钛矿材料体系，与BMN形成层状复合结构，探索叠层组成、叠层方式、界面微结构、界面应力等对复合结构陶瓷微波介电性能的影响规律，揭示不同叠层方式对介电性能的影响机制，发展叠层方法协调优化BMN介电性能的可行性，并进一步探索叠层方法制备频率温度系数连续可调的低损耗复合材料的可行性，为研制和开发性能优良的新型微波介质材料提供实验和理论依据。

设计和开发具有超低损耗和近零频率温度系数的Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(BMN)基微波介质材料以替代高成本的钽基钙钛矿材料具有重要的实用价值。本项目主要围绕优化BMN陶瓷的介电性能展开工作，针对传统改性方法难以协调优化BMN陶瓷低Q值与高τf值的问题，本项目给出的解决方案是：选择负频率温度系数的材料作为调谐材料；首先将选择的少量调谐材料与BMN复合，以提高BMN陶瓷的Q值及其与调谐材料的共烧匹配性；再通过简单的对称串联结构方式使BMN陶瓷与调谐材料叠层共烧。研究结果表明，对BMN陶瓷来说，优选出的最佳调谐材料为Mg4Nb2O9和Mg2SiO4，通过调节其质量分数均可获得高Q值和近零τf值的层状结构陶瓷；不同叠层方式下，层状陶瓷的性能差异较大，A/B/A型叠层方式比B/A/B型（B层为调谐材料）对介电常数和频率温度系数的调控效果更加明显；界面残余应力是导致层状结构陶瓷Q值恶化的重要因素，但调谐材料自身的高介电损耗对其影响较小，因此，在设计层状电介质陶瓷时，调谐材料可以选择低Q值的材料。本项目通过复相和叠层协同方式实现了对BMN陶瓷介电性能的优化，并进一步揭示了叠层方式、界面微结构、界面应力等对层状结构陶瓷介电性能的影响机制，为后续研发温度系数连续可调的低损耗微波介质陶瓷提供了新的思路和依据。