热等静压烧结AO-TiO2-M2O5体系陶瓷晶体结构演化、调控及微波介电性能研究

Microwave dielectric ceramics with high Q and medium Er values (Er = 20-50）have huge market demand, and strategic importance for national defense and industrial construction. HIP process will be adopted to synthesize AO-TiO2-M2O5 system compounds in this project. The crystal structure, phase and their relevance in this system will be investigated. The effects of key process parameters, grain size, porosity and structure ordering on microwave dielectric properties of this system will be studied, especially for the Rutile、Ixiolite and Wodginite structure. This project also through the structure design such as ionic substitution, two phases or more phases composite to adjust microwave dielectric properties, explore the mechanism for different Tf values in this system, and finally obtains the way to adjust microwave dielectric properties. On this basis, we will explore new practical microwave dielectric materials with high Q and medium dielectric constant.

高Q值中介(Er=20-50)微波介质材料具有极大的市场需求，对于国防和工业建设有着非常重要的战略意义。本项目拟引入热等静压烧结技术，在AO-TiO2-M2O5（A=Zn, Mg, Co, Ni, Cu, Mn; M=Nb, Ta ) 体系化合物中系统研究该体系晶体结构类型、相稳定区间及其关联性，探索典型结构纳米/亚微米陶瓷的关键制备工艺参数，查明陶瓷晶粒尺寸、气孔率和结构阳离子有序度等对材料微波介电性能的影响。弄清该体系化合物在微波频率下介质极化机制及介电性能，重点研究Rutile、Ixiolite和wodginite等典型结构化合物晶体结构与微波介电性能的关联性。通过结构设计，采用离子取代或两相复合技术对材料微波介电性能进行调控，探索该体系材料谐振频率温度系数变化机理及其主导因素，进而揭示该体系中不同化合物微波介电性能的裁剪途径。在此基础上，探索实用化新型高Q值中介微波介质陶瓷材料。

高Q值中介（Er = 20-50）微波介质材料具有极大的市场需求，对于国防和工业建设都有着有非常重要的战略意义。本项目采用固相法和溶胶凝胶法等制备技术，分别合成和制备了9种AO-TiO2-M2O5（A=Zn, Mg, Co, Ni, Cu, Mn; M=Nb, Ta ) （简称为ATM）体系化合物粉体及陶瓷，并通过结构设计获得了3种离子取代、2种复相微波介质陶瓷。XRD、FT-Raman、TSDC等测试结果和复杂化学键理论计算分析表明该体系陶瓷的晶体结构类型主要有金红石型结构、铌铁矿结构和锰钽矿结构，AO-TiO2-M2O5体系陶瓷的介电常数与M-O键的离子性密切相关，Q×f值与M-O键的晶格能有关，τf值与M-O键的键能以及A-O键的热膨胀系数有关。在最佳烧结温度下最优的微波介电性能为：介电常数集中在29-65，品质因数 分布在1445-40000GHz，谐振频率温度系主要分布在-70-130ppm/℃。热等静压烧结技术可以明显改善Zn0.5Mg0.5TiNb2O8陶瓷的密度、介电常数以及品质因数。离子取代对AO-TiO2-M2O5体系陶瓷的致密化具有积极作用，通过调控取代离子的含量，可以使AO-TiO2-M2O5体系陶瓷实现谐振频率温度系数近零，但该体系陶瓷的品质因数有所降低；具有相反谐振频率温度系数的两种陶瓷进行复合，陶瓷可获得接近零的谐振频率温度系数。这些结果不仅可以丰富中等介电常数微波介质陶瓷体系，还可以为开发新型微波介质材料及元器件奠定理论基础。