Li2O-MO-TiO2三元尖晶石化合物的微波介电与离子导电特性研究

前期研究中我们发现，Li2O-MO-TiO2三元尖晶石固溶体化合物Li(4x/3)M(2-2x)Ti(1+2x/3)O4（0≤x≤1,M=Zn、Mg等），随着M离子和固溶度x的变化，一些化合物具有优异的微波介电性能，而另一些化合物则表现出良好的离子导电特性，由此可见，通过调节组份可以实现对该化合物微波介电与离子导电性能的调控，但目前还不明确其调控机理。本项目在前期工作的基础上，通过不同离子的组合对其进行组分设计，系统研究组分变化、工艺因素、微结构变化（包括阳离子半径、占位率、反型率、晶体结构、有序-无序相变、有序相类型以及键价特性等）对该化合物微波介电与离子导电特性的影响，揭示其性能的调控机理，最终实现该类化合物的可控制备与性能优化。本项目的顺利实施，有助于进一步深入认识材料设计、制备、结构对性能的内在影响机制等一系列科学问题，为其它类似材料的科学裁剪和制备提供重要的实验与理论借鉴。

现代通讯技术的飞速发展对微波介质陶瓷的成本和性能提出了更高的要求，探索新型高性能、低密度、低烧结温度以及低原料成本的微波介质陶瓷具有非常重要的意义。本项目以M2TiO4（M=Zn，Mg，Co）尖晶石介电化合物和Li4/3Ti5/3O4尖晶石离子导电化合物作为组元，通过两者形成固溶体，设计并制备了一系列烧结温度低、密度低、微波介电性能优异的新型锂基尖晶石微波介质材料，如Li2ATi3O8(A=Zn, Mg, Co)、Li2B3Ti4O12(B=Zn, Mg, Co)等。针对锂基尖晶石陶瓷谐振频率温度系数较负这一缺点，通过加入具有较大的正温度系数的TiO2，成功将其温度系数调节至近零，从而获得了面向微波谐振器应用的新型微波介质陶瓷材料，如(1-x) LiZn0.5Ti1.5O4(Li2ZnTi3O8)-xTiO2、(1-x)Li2Zn3Ti4O12-xTiO2等。为了满足微波陶瓷低温烧结的要求，添加少量的BaCu(B2O5)(BCB)烧结助剂，成功的将其烧结温度降至900℃，降温后的介质材料保持优异的微波介电性能且能与Ag电极实现共烧匹配，从而成功制备出了一系列新型锂基尖晶石LTCC微波介质材料。在机理研究方面，通过对该类化合物的晶体结构和电子结构进行研究后发现，在Li4/3Ti5/3O4尖晶石离子导电材料中添加少量的M2TiO4（M=Zn，Mg，Co）后阻碍了锂离子的扩散通道，所以该类固溶体化合物的离子导电性能降低，微波介电性能得到优化。此外，本项目在横向方面进行了延伸，设计合成了系列固有烧结温度低、介电性能优异的新型微波介电陶瓷并对材料的“组成-结构-性能”的关系进行了系统的研究。从离子取代改性的角度出发，设计制备了Ba4LiNb3-xSbxO12和Ca(Zn1/3Nb2/3-xVx)O3两种介电常数与Q×f值适中、温度系数可调的复合钙钛矿微波介电陶瓷。通过添加一定量的BCB低熔点烧结助剂，在没有恶化BaTi5O11陶瓷性能的同时成功将其烧结温度降至900℃左右，获得了一种LTCC材料。采用Co取代Ba4Ti12O27中的部分Ti，稳定了Ba4Ti12O27的晶体结构，获得了一种性能优异的Ba4CoTi11O27微波介质陶瓷。最后对BaTiO3基高温温度稳定型高介低损陶瓷、BiFeO3粉体以及氧化锌压敏陶瓷进行了研究，获得了几种电学性能优异的介电、敏感材料。