石榴石结构铝酸盐陶瓷的微波介电性能调控研究

To adjust the temperature coefficient of resonance frequency near zero and improve the Q×f value are always the basic research problems in the microwave dielectric ceramics research. Y3Al5O12(YAG) transparent ceramics has very high Q×f value,but its high temperature coefficient of resonance frequency hinders the application in microwave devices. In this work, the microwave dielectric properties will be improved by doping Ca2+/Ti4+ ions to form CaxY3-xAl5-xTixO12 (CYAT)solid solution for the first time. The crystal structure evolvement rules and mechanism of CYAT ceramics will be revealed. And how the low dielectric constant, Q×f value and temperature coefficient of resonance frequency are influenced by the crystal structure will be illuminated by the dielectric theoretical models, specially the mechanism of the zero setting for the temperature coefficient of resonance frequency. Meanwhile, CYAT ceramics could be prepared with high transmittance by the techniques in laser transparent ceramics, and it will look like the single crystal and generate very high Q×f value. The effects of Mn-doping on the Q×f value will also be researched. CYAT transparent ceramics with garnet structure will be a new aluminate microwave dielectric materials with the middle dielectric constant.

同时实现频率温度系数(τf)调零和品质因素(Q×f)改善一直是微波介质陶瓷研究中的难点问题。石榴石结构的Y3Al5O12(YAG)陶瓷有非常高的Q×f值，但同时其大的负τf值消弱了其在微波器件中的应用价值。本项目采用Ca/Ti离子等比例复合取代YAG晶格制备CaxY3-xAl5-xTixO12(CYAT)固溶体陶瓷的思路，研究Ca/Ti离子取代引起的CYAT晶格结构演变规律及其作用机理，以及晶格结构演变对介电常数、Q×f值的影响机理，特别是τf值调零的本质机制。为了同时获得高Q×f值，研究高品质CYAT固溶体透明陶瓷制备技术，获得单晶质量的CYAT透明陶瓷；以及研究掺杂变价金属Mn离子调控Q×f值的作用规律。最终同时实现频率温度系数的归零调控和获得高Q×f值，解决石榴石结构YAG陶瓷研究的关键问题。改性后的CYAT固溶体陶瓷将是一种全新的具有石榴石结构的铝酸盐中介微波介质陶瓷材料。

具有石榴石结构的铝酸盐陶瓷材料如Y3Al5O12(YAG)陶瓷，是否也能作为微波介质材料应用，还未有确切的研究报道。因此本项目致力于同时研究采用新思路将YAG陶瓷频率温度系数调零，以及研究改性后的具有石榴石结构的陶瓷Q×f值优化方法。通过Ca2+/Ti4+离子复合取代进入YAG晶格形成CaxY3-xAl5-xTixO12固溶体结构(0≤x≤2为Ca2+/Ti4+离子掺杂量)，改变晶格结构以调控石榴石结构CaxY3-xAl5-xTixO12固溶体陶瓷微波介电性能。当x从0.0增加到2.0时，所有组分的陶瓷样品的物相只有立方的YAG相，因此CaxY3-xAl5-xTixO12(x=0.0-2.0)体系为完全固溶体结构。因为Ca2+和Ti4+离子的平均半径要比Y3+和Al3+离子的平均半径大，就会导致新形成的CaxY3-xAl5-xTixO12固溶体的晶格常数变大。Ca2+/Ti4+掺杂量增加，介电常数增加（由于αCa2+和αTi4+的总离子极化率要大于αY3+和αAl3+的总离子极化率），频率温度系数可由负转正(当Ca2+离子和Ti4+离子分别取代Y3+离子和Al3+离子的时候，会导致晶格常数变大，离子间的平均距离增加，AO6八面体的倾斜度就变小。)，Q×f 值会降低（随着Ca2+/Ti4+离子取代Y3+/Al3+离子，A位阳离子与近邻O2-离子间的作用力以及Ti-O-Ti间作用力都在减弱，这与晶格结构常数在增大相互对应。）。Q×f值还可以通过掺杂MnO2得以改善提升。0.2wt%MO2+Ca1.5Y1.5Al3.5Ti1.5O12的微波介电性能为：Q*f值为48000GHz(此时介电常数为29.7，频率温度系数为3ppm/oC。CaxY3-xAl5-xTixO12固溶体陶瓷是石榴石晶格结构，将是一种全新的铝酸盐微波介质陶瓷材料。