Mg4Nb2O9/CaTiO3复合介质陶瓷的制备与性能研究

金姣 倪爱斌

摘 要：采用一步固相烧结法制备了（1–x）Mg4Nb2O9+xCaTiO3颗粒复合微波介质陶瓷。研究了陶瓷的微观结构和微波介电性能。研究了烧结工艺对陶瓷的相组成、晶体结构和微波介电性能的影响。研究表明，在预烧温度均为1080℃时，成烧温度从1235℃升至1435℃，收缩率不断升高，在1385oC后收缩率变化不大。当x=0.4，预烧温度1080℃，成烧温度1385℃保温24h得到的复合陶瓷的性能达到最佳。

随着移动通信在现代生活中的普及，人们对微波介电的材料越来越关注。当前，对具有高Q值，合适的介电常数和接近于零的谐振频率温度系数的微波介电陶瓷的需求越来越大。[1]Mg4Nb2O9陶瓷具有优良的微波介电性能，如高品质因素（Qf=190 000 GHz），但由于其介電常数εr偏低（εr=12.5）以及谐振频率温度系数τf太大（τf=-70*10-6/℃）。[2]所以一般与CaTiO3复合制备Mg4Nb2O9/CaTiO3复合介质陶瓷来使用。[3]但由于Mg4Nb2O9和CaTiO3之间易发生化学反应，不利于形成复合相，一般采用两步法分别合成法。[4]本文为了节省能耗和生产时间，更利于工厂实际应用，采用一步法制备Mg4Nb2O9/CaTiO3复合介质陶瓷，研究了烧结温度和比例对陶瓷材料性能的影响。

1 实验

采用一步固相法制备（1–x）Mg4Nb2O9+xCaTiO3陶瓷，x取0.2-0.8。以Nb2O5（纯度99.5%），MgO（纯度99.9%），CaCO3（纯度99.9%）和 TiO2（纯度99.9%）。按照化学配比x= 0.2-0.8，称取原料，放入尼龙球磨罐中，以无水乙醇作为介质，在行星磨中进行一次球磨（24 h*200r/min）。样品经烘干、过筛后，在1080℃预烧 24 h，获得复合粉体。用同样的方法进行二次球磨（24 h*15r/min），将制得的粉体，球磨、干燥、过筛后，加入质量分数为10%的聚乙烯醇（PVA）造粒，压制成φ20 mm ×10 mm 的圆片，1235℃至1435℃成烧24 h，获得（1–x）Mg4Nb2O9+xCaTiO3粉体。采用 Archimedes 法测定样品的体积密度。选用X 射线衍射（XRD）仪对样品进行物相分析，测量范围 2θ为10°～50°。用扫描电镜（SEM）观测样品的显微结构。采用网络分析仪测量样品微波介电性能。

2 结果与讨论

通过所得的XRD图表面，在1080的预烧温度，和1235℃至1435℃成烧24 h的条件下，均能得到纯相复合陶瓷。

图1为x取0.4时候，0.6Mg4Nb2O9+0.4CaTiO3复合陶瓷粉体在不同的成烧温度下的收缩率和致密度曲线。由图1可知，在1235℃下成烧后的收缩率最低，说明该温度下成烧温度过低导致收缩率过低。同时发现随着成烧温度的升高，收缩率和密度都是先升高后略微下降。成烧温度达到1385℃时，试样的收缩率和密度达到最大值，收缩率23%，密度4.1g/cm3。

图2为1385℃成烧温度下，x分别取0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8时，所得的SEM图，由图可知X小于0.5时，随着x值得变大，气孔越少，粉体致密度越好。X大于0.5后，随着x值得变大，粉体颗粒出现异常长大，气孔变多。由图可知X=0.4和0.5时，颗粒气孔少，陶瓷组织非常致密。

3 结论

在预烧温度均为1080℃时，成烧温度从1235℃升至1435℃，收缩率先不断升高，在1385oC后收缩率变化不大。当x=0.4，预烧温度1080℃，成烧温度1385 ℃保温24h得到的复合陶瓷的性能达到最佳，介电常数εr=28.38，品质因素Qf=13232 GHz，谐振频率温度系数τf=-24.8*10-6/℃。

参考文献

[1]赵梅瑜，王依琳.高介电常数微波介质陶瓷的研究进展[J].电子元件与材料，2005，24（12）：50–54.

[2]KUMADA N，TAKI K，KINOMURA N.Single crystal structure re？finement of a magnesium [J].Mater Res Bull，2000，35：1 017–1 021.

[3]KELL R C，GREENHAM A C，OLDS G C E.High-permittivity temperature-stable ceramic εr dielectrics with low microwave loss [J].J Am Ceram Soc，1973，56（7）：352–354

[4]姚国光，田秀劳，刘鹏 .Mg4Nb2O9/CaTiO3复合介质陶瓷的结构和介电性能[J].硅酸盐学报，2008，36卷11期.

【项目来源】：浙江省高等学校访问工程师校企合作项目：移动4g基站用谐振器的高Q陶瓷粉体的研究