铌酸盐微波介质陶瓷材料概述

邓雯　郑浩天　刘柏良　刘勇男 刘明坤

摘  要：铌酸盐微波介质陶瓷材料在微波通信领域具有广泛的应用。本文简述了微波介质陶瓷材料的概念，发展历程及其优异性能，并对其中的铌酸盐微波介质陶瓷材料进行了简要的介绍。

关键词：铌酸盐;微波介质陶瓷材料;微波通信

一、研究背景

近年来，众多微波介质陶瓷材料由于具有优异的低损耗特性，得以被大量研究并被广泛应用于微波通信技术领域。微波通讯是利用波长在1～100mm范围内的微波进行信息传输[1]，其本质上也属于一种电磁波。微波通信具有较高的传输可靠性以及较强的数据携带能力，最为我们所熟知的应用领域是卫星以及移动通信等。

微波介质陶瓷材料包括铌酸盐微波介质陶瓷材料能被应用在微波通信领域，都是因为这些材料除了其本身具备的力学性能和化学性能之外，还包括其在介电常数，介质损耗以及谐振频率温度系数上所具备的优势。同时在制备成本上也具备简单高效的特点。

二、微波介质陶瓷材料

2.1 微波介质陶瓷材料的概述

陶瓷，是陶器和瓷器的总称。陶器是由粘土或以粘土、长石、石英等为主的混合物，经成型、干燥、烧制（烧制温度一般低于1200℃）而成的制品的总称。而炉窑温度达到1200℃以上时，能将金属氧化物烧制成釉瓷，质地比陶更为细腻、外观更加美观。从这个角度上讲，陶瓷是指所有以黏土为主要原料与其他天然矿物原料经过适当的配比、粉碎、成型并在高温焙烧情况下经过一系列的物理化学反应后，所形成的坚硬物质，这样的陶瓷也被称为是传统陶瓷，如生活中常见的日用陶瓷制品等。广义上的陶瓷概念是指用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品。如人工牙齿或骨骼材料，工程中的切削工具，耐磨轴承以及电子元器件等等。一般也把它们叫做功能陶瓷。而微波介质陶瓷材料就属于功能陶瓷的一种，属于在微波通讯技术中实现丰富功能的关键材料。

2.2 微波陶瓷材料的发展歷史

介质材料最初被发现在微波通讯中有着很高应用价值是在1939年由Robert博士提出的[2]，并首创了介质谐振器的概念。得益于较高的介电常数，介质谐振器在小尺寸设计中较有优势，用于微波和毫米波频段。但受限于当时的科学技术水平，并没有得到太高的重视。直到1974年，BaTi4O9和Ba2Ti9O20被Masse和 O’Bryan等人研发出来[3， 4]，这种微波介质陶瓷材料不仅具有较低的介质损耗，而且具有优异的温度稳定性，从而使得微波介质陶瓷材料在微波通信技术领域得到真正的应用成为了可能。但真正实现大规模的商业应用是日本的村田公司开发的（Zr，Sn）TiO4 陶瓷[5]。

目前对于微波介质陶瓷材料的研究，主要集中在介电常数的拓宽，介电损耗的降低以及材料温度稳定性的稳固这三个方面。

2.3 影响微波介质陶瓷材料性能的因素

电磁波的从真空中进入电介质中时，其波长受介质材料的相对介电常数影响而发生的变化可以用如下公式描述：

介电材料对电磁波会产生聚集能力。其示意图如下。

Lichteneker 等人从复合材料的角度研究了介电常数的复合规律，并提出了如下法则[1]

式中εr、vi 和εi 分别为多相复合陶瓷的介电常数、第i 种物相的相含量及第i 种物相对应的介电常数。因此微波介质陶瓷的介电常数可以通过改变陶瓷材料的物相成分，及其所占的含量来进行调控。而当各个成分的元素类别以及成分比例已经固定时，晶体结构中的杂质、气孔、晶粒和晶格缺陷会影响微波介质陶瓷的介电性能。

（1）杂质的影响。在陶瓷材料中，杂质的存在一般会使得陶瓷体系的内部电荷平衡遭到破坏，从而增加其电导损耗，最终导致介电性能减弱。

（2）晶格缺陷的影响。在材料学中，晶体的缺陷包括点缺陷，线缺陷以及面缺陷。其中点缺陷对于微波介质陶瓷材料的影响较大，通常是由于离子掺杂引起的，这种影响机制与晶粒内部杂质对于陶瓷材料的影响是相似的。

（3）气孔的影响。在陶瓷材料中，气孔是不可避免的。陶瓷材料烧结越致密，其气孔形状越规则，晶粒形态越饱满，则具有更好的介电性能。而残留气孔的数量越多、气孔的大小越大，微波介质陶瓷材料体系的相对介电常数也越差。同时气孔的大量存在会增加材料的本征损耗，并且气孔具有较低的热稳定性，在温度变化时，掺杂的气孔会降低了陶瓷材料的热稳定性。正是以上原因会使得微波介质陶瓷材料的品质因数以及谐振频率温度系数也会受到气孔的影响。

（4）晶粒的影响。晶粒的大小越均匀、镶嵌越紧密、致密性越好，这样生长形成的介质材料性能越好。

三、铌酸盐微波介质陶瓷材料

在众多微波介质陶瓷材料中，铌酸盐微波介质材料由于具有优异的低损耗特性而得到了广泛的研究。

1994年，Baumgarte等人首次提出了一种 M2+M4+Nb2O8型微波介质陶瓷材料。其属于中频微波介质陶瓷材料，并具有优异的低损耗微波介电性能。2000 年， M2+M4+Nb2O8型中的ZnTiNb2O8被Kim Dong-Wan 等人首次制备得到。2005 年，清华大学的张迎春教授，出版了《铌钽酸盐微波介质陶瓷材料》书籍[1]，对M2+Nb2O6型铌酸盐陶瓷材料进行了详细论述。M2+Nb2O6型介电材料大都具有铌铁矿结构，其介电常数均在 20 左右，属于中高频微波介质陶瓷材料。并且M2+的不同，其品质因数和谐振频率温度系数的差别也较大。

除上述两种最为热门的铌酸盐微波介质陶瓷体系之外，（M1+）3NbO4[7]， RE3+M4+NbO6[8]以及（M2+）3Nb2O8[9]等也被大量研究和报道过。其中不乏高性能的铌酸盐陶瓷材料。

四、结论与展望

材料，能源和信息是现代人类文明的三大支柱，在微波通信技术不断提高的同时，对于相应的介质陶瓷材料也在提出着更高的要求。本文简要介绍了微波介质陶瓷材料的发展历程，影响其性能的主要因素以及几种典型的铌酸盐微波介质陶瓷材料。其中对于铌酸盐微波介质陶瓷材料的合成方法以及其性能的调控，本课题组将会进行更深一步的研究。

参考文献

[1] 张迎春.  铌钽酸盐微波介质陶瓷材料[M].  北京：  科学出版社， 2005， 1-150

[2] R. D. Richtmyer. Dielectric resonators[J]. Journal of Applied Physics， 1939， 10（6）： 391

[3] D. J. Masse， R. A. Pucel， D. W. Readey， et al. New low loss high K temperature compensated dielectric for microwave applications[J]. Proceedings of The Ieee， 1971， 59（11）： 1628-1629

[4] H.  M.  O.  bryan，  J.  Thomson，  J.  K.  Plourde.  A  new  BaO-TiO2  compound  with  temperature stable high permittivity and low microwave loss[J]. Journal of The American Ceramic Society， 1974， 57（10）： 450-453

[5] S. J. Fiedziuszko， I. C. Hunter， T.Itoh， et al. Dielectric materials， devices， and circuits[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques， 2002， 50（3）： 706-720

[6] 張良莹.  电介质物理[M].  西安：  西安交通大学出版社， 1991， 1-50

[7] D.  Zhou，  H.  Wang  H，  L.  X.  Pang，  et  al.  Microwave dielectric  characterization  of  a  Li3NbO4 ceramic and its chemical compatibility with silver[J]. Journal of The American Ceramic Society， 2008， 91（12）： 4115-4117

[8] M. T. Sebastian， S. Solomon， R. Ratheesh， et al. Preparation， characterization， and microwave properties of RETiNbO6 （RE=Ce， Pr， Nd， Sm， Eu， Gd， Tb， Dy， Y and Yb） dielectric ceramics[J]. Journal of the American Ceramic Society， 2001， 84（7）： 1487-1489

[9] C. L. Huang， W. R. Yang， P. C. Yu. High-Q microwave dielectrics in low-temperature sintered （Zn1−xNix）3Nb2O8 ceramics[J]. Journal of the European Ceramic Society， 2014， 34： 277-284.

作者简介：刘明坤，1992.-，男 汉族，吉林，理学博士，讲师，研究方向：高压下材料的相变研究，为本文通讯作者。