Nb5+取代对Li2ZnTi308陶瓷结构和性能的影响

陈贤　包晨伟　仲庆　朱浩淳　朱天溯

[摘要]首先尝试用B位取代Ti4+位，研究其对Li2ZnTi308陶瓷结构与微波介电性能的影响，并探索了Li2ZnTi308陶瓷的改性机理。本章研究了x（x=0.02～0.20）对Li2Zn（Til-xSnx）308（M=Nb）陶瓷烧结性能、物相组成、显微组织及微波介电性能的影响，从而确定最理想的x值和烧结温度。

[关键词]Li2ZnTi308陶瓷 微波介電性能 离子取代

微波介质陶瓷元器件自二十世纪八十年代进入规模应用，到现在研究成为了现在微波通信产业的基础性元件。随着微波通信行业的不断发展，在无线通信高频化的背景下，具有良好高频传输特性的微波介质陶瓷元器件就有了更大的发展空间。具有在产业信息网发布的《2015-2022年中国微波介质陶瓷行业研究与投资前景分析报告》中显示，近几年来，WLAN产品、蓝牙产品、卫星电视接收设备等下游市场领域快速增长，大大提升了微波介质陶瓷元器件的市场需求。

随着现代通信技术的迅速发展，通信设备使用要求的特殊性使得国民对于通讯系统装备的分量和尺寸要求越来越高，尤其对于通讯系统中滤波器的小型化、轻便化、低功耗化等方面的要求。然而，当前的滤波器存在着各自的缺点，比如用微带结构和金属谐振器构成的滤波器，实现小型化难度太大：声表面滤波器功率容量较小并且插入损耗过大，限制了其应用范围。如何解决这些问题呢？高性能的微波介质谐振器就出现了。微波介质陶瓷制作的微波元器件，具有微型化、低消耗、介电常数高、频率温度系数小、成本低等长处，常见的有谐振器、滤波器、介质天线等。其中微波滤波器更是被广泛的应用在微波通讯、雷达导航、电子对抗、卫星接力、导弹制导等系统中，是微波和毫米波系统中不可或缺的器件，其性能的好坏往往直接影响了整个通信系统的功能。

为了探究如果提高微波介质陶瓷的介电常数和稳定性，降低损耗，本文以Li2ZnTi308陶瓷为实验对象。通过离子改性研究B位离子置换对Li2ZnTi308陶瓷相组成、显微组织和微波介电性能的影响规律，为探索与开发尖晶石陶瓷新体系提供了新思路。

一、实验方法

试样制备以分析纯的Li2CO3、ZnO、TiO2、SnO2、Nb2O5粉末作为原始粉料，按照，Li2Zn（Til-xMx）308（M bib，x=0.02～0.20）化学计量比进行配料，球磨混料、分别经900℃预烧4小时后，二次球磨、干燥、造粒、压制成型，将压制好的生坯在1025～1100℃范围内烧结成陶瓷，保温时间均为4小时，升温速率为3℃/min。

二、物相分析

图1为经1075 0C烧结4小时所得Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的XRD图谱。当x≤0.1时，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷均显示出单相尖晶石结构，所有的衍射峰均与Li2ZnTi308相一致，说明当x≤0.1时Nb5+能够取代Ti4+进入Li2ZnTi308晶格中形成固溶体。当x=0.2时，出现了第二相LiZnNb04，说明Nb5+在Li2ZnTi308晶格中固溶度有限。

三、微波介电性能

图2为经1075℃烧结4小时所得Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的相对密度、介电常数和分子介店极化率之间的关系。从图中可以明显看出，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的相对密度变化不大，均在98%以上；当x≤0.1时，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的介电常数与其分子极化率的变化趋势一致，这说明其介电常数主要受其分子极化率的影响。当x>0.1时，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的介电常数明显减小，这是第二相LiZnNb04的析出导致的。

图3为经1075℃烧结4小时所得Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的Q×f值，原子堆积密度和τf值。从图中可以看出随着x的增大，陶瓷的Q×f值先略有增大后迅速减小，在x=0.10时达到最大值（92324GHz）。Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷的τf值随着x增加而呈现线性减小的趋势，这是由于Nb-0键长大于Ti-0键长以及第二相LiZnNb04较低的τf值导致的。当x=0.10时，Li2Zn（Til xNbx）308陶瓷经1075℃烧结后具有较好的微波介电性能：εr=30.8，Q×f=92324GHz，τf=16.4ppm/℃。