Bi2O3-TiO2体系中晶态材料的可控制备及其微波介电性能裁剪

Bi2O3-TiO2体系中存在多种晶体结构类型的晶态钛酸铋化合物，它们具有优异的光电、荧光、声光、光催化和压电等性质。但这些化合物多为亚稳相，不易制取，因此在该体系中开展晶态材料的可控制备并探索其在微波频率下介电性能的裁剪将对丰富微波频率下的电介质理论和探索新型高介微波材料有着重要的战略意义。本研究通过稀土掺杂、离子取代和多相复合等结构设计手段在Bi2O3-TiO2体系中探索焦绿石相Bi2Ti2O7、Sillenite相Bi12TiO20和Bi2Ti4O11相粉体和陶瓷的可控制备技术，系统研究该体系中结构基元[TiO]6八面体在不同晶体结构中的特点，探索该体系在微波频率下的介电性能，揭示该体系不同晶体结构类型与微波介电性能之间的内在联系，找到该体系中不同化合物微波介电性能裁剪机理及有效途径，探索新型高介电常数微波介质陶瓷材料。

Bi2O3-TiO2体系化合物具有较低的烧结温度，由于Bi3+和Ti4+具有较高的离子极化率，在高频电介质领域具有潜在的应用价值。本项目分别采用固相法和Sol-gel法制备了Bi2Ti4O11, Bi12TiO20和Bi2Ti2O7陶瓷，研究了不同工艺参数对Bi2O3-TiO2体系陶瓷相结构与微波介电性能的影响。结果表明，固相反应生成Bi2Ti4O11过程主要受扩散速度的影响，1000℃时适当延长煅烧时间可获得单相Bi2Ti4O11粉体。1125℃保温2h烧结 Bi2Ti4O11陶瓷的微波介电性能：εr=51.16，Q*f=3050GHz，τf=-297ppm/℃。sol-gel法在750℃保温2h可以获得单相Bi2Ti4O11陶瓷粉体，所制备的Bi2Ti4O11陶瓷，1050℃烧结达到最大密度，微波介电性能为：εr=52.35，Q*f=4600GHz，τf=-350ppm/℃。固相法800℃保温2h制备的Bi12TiO20陶瓷介电性能为：εr=40.92，Q*f=3900GHz，τf=-14ppm/℃。Sol-gel法制备Bi12TiO20陶瓷，陈化时间对其物相组成和微观形貌有着重要的影响。陈化时间为1d及以上的样品在600℃即可获得单相粉体，而没有陈化的样品含有少量Bi2O3杂相。采用sol-gel制备的粉体为原料，在750℃烧结的陶瓷密度达到最大值。其微波介电性能为：εr=39.55，Q*f=3950GHz，τf=-17ppm/℃。采用固相法，当TiO2/Bi2O3=2.5，Ho2O3掺杂量为3wt%，烧结温度1150℃时可获得单相Bi2Ti2O7粉体。经1150℃烧结2h的Bi2Ti2O7陶瓷介电性能为：εr=94.01，Q*f=1271.67GHz，τf= -180ppm/℃。采用Sol-gel法制备Bi2Ti2O7粉体，当Ti/Bi(摩尔比)为1.1，柠檬酸/Bi(摩尔比)为1.0，前躯体溶液pH=6，烧结温度为550℃时，产物为纯相Bi2Ti2O7粉体。采用溶胶-凝胶法可在1150℃烧结保温2小时获得Bi2Ti2O7陶瓷，其介电性能为εr=115.02，Q*f=1515.67 GHz，τf = -165ppm/℃。对Bi2O3-TiO2体系陶瓷进行了微波性能调控，当Bi2O3:TiO2从1:8上升到1:4的过程中,存在一个零频率温度系数点。