《硅酸盐学报》：CuO 掺杂对ZnZrNb2O8 微波介质陶瓷性能的影响
洪 倩，李月明，谢志翔，沈宗洋，王竹梅，宋福生，洪 燕
(景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西 景德镇 333403)
摘 要：以分析纯的 ZnO、ZrO2、CuO 及 Nb2O5为原料，采用传统固相法制备了 Zn1–xCuxZrNb2O8 (ZCZN,x=0.00–0.05)微波 介质陶瓷，研究了不同 CuO 添加量对 ZCZN 陶瓷的烧结性能、显微结构、相组成以及微波介电性能的影响，利用 X 射线衍射仪、扫描电子显微镜和网络分析仪等对其微观结构、形貌以及微波介电性能进行表征。结果表明：CuO 的添加能有效降低 ZnZrNb2O8陶瓷的烧结温度，提高其品质因数和介电常数。当 x=0.03 时，陶瓷可在 1 200 ℃烧结并获得最佳微波介电性能： 介电常数 εr=30.1，品质因数 Q×f=53 037 GHz，频率温度系数 τf = –57.21×10–6 /℃。
关键词：微波介质陶瓷；氧化铜掺杂；高品质因数
中图分类号：TQ174 文献标志码：A
文章编号：0454–5648(2017)03–0354–06
收稿日期：2016–07–06。
修订日期：2016–08–14。
基金项目：
江西省教育厅科技落地计划(KJLD12084)；
江西省赣鄱英 才 555 工程领军人才计划；
景德镇市科技计划；
景德镇陶瓷 大学研究生创新基金(JYC201513)；
江西省教育厅科技项目 (GJJ150896)。
第一作者：洪 倩(1993—)，女，硕士研究生。
通信作者：李月明(1965—)，男，博士，教授。
前言
微波介质陶瓷是近年来迅速发展起来的新型功能陶瓷，是介质谐振器、滤波器、介质基片、双工器、天线、稳频振荡器、介质波导回路等微波元器件中的关键材料。而且微波介质陶瓷材料所制造的微波元器件体积小、质量轻、温度稳定性好[1–4]。 随着现代科技的发展，无线通信技术已向更高频率的微波通信技术发展，因此，对各类微波移动通信的终端设备的综合性能提出了更高的要求，而应用于高频的微波通讯元件必须具备较高的品质因数 Q×f、适中的介电常数 εr，因为较高的品质因数可以拓展器件工作的频率范围，而适中的介电常数有利于器件的小型化和高品化[5–10]，所以开发和研究出具有低损耗的微波介质陶瓷材料是现今研究的重点。
ZnZrNb2O8基微波介质陶瓷材料是一种具有较高品质因数的新型功能陶瓷材料，Liao等研究了 ZnZrNb2O8微波介质陶瓷在 1 280 ℃保温 3 h 的微波介电性能：εr = 30，Q×f = 61 000 GHz，τf = –52.6× 10–6/℃[11]。Li 等进一步对 ZnZrNb2O8和(Zn0.95M0.05) ZrNb2O8 (M= Ni, Mg, Co and Mn)微波介质陶瓷进行研究，研究表明，在 1 280 ℃下，ZnZrNb2O8微波介质陶瓷的介电性能为：εr= 29.29，Q×f = 61 130 GHz， τf= –52.6×10–6 /℃。掺杂 Ni 和Mg 可以提高材料的品 质因数，Zn0.95Ni0.05ZrNb2O8陶瓷的Q×f = 83 558 GHz， Zn0.95Mg0.05ZrNb2O8陶瓷的 Q×f = 81 228 GHz [12]。由此可以看出，尽管掺杂+2 价离子可以提高 ZnZrNb2O8 的品质因数，但体系的烧结温度仍然偏高。CuO 是 一种常用的烧结助剂，能够通过促进液相的生成来降低陶瓷的烧结温度，同时改善微波介电性能，特别是 含 Zn2+体系的微波介质陶瓷，如 Nd(Zn1/2Ti1/2)O3， Zn2TiO4以及 BaZn2Ti4O11[13–15]，主要是因为 Cu2+(0.071 nm)离子的半径跟 Zn2+(0.074 nm)离子半 径相近，能够形成固溶体，有利于提高材料的品质 因数[16–18]。
通过添加适量的CuO来取代ZnZrNb2O8体系中 的 Zn2+，以期在促进烧结的同时，进一步提高体系的品质因数，研究不同 CuO 添加量对 ZnZrNb2O8陶瓷烧结性能以及微波介电性能的影响。
结论
1) 在 x=0.00–0.05 之间，ZCZN 陶瓷体系形成了完全固溶体，均为单一相，而且晶胞参数和晶胞体积随着 x 的增加而减小。
2) 适当 CuO 的添加使 ZCZN 微波介质陶瓷的烧结致密温度由 1 280 ℃降低至 1 200 ℃，同时提高了 ZnZrNb2O8陶瓷的品质因数。
3) 当 CuO 的添加量为 0.03、烧结温度为1 200 ℃时，ZCZN组分陶瓷具有最佳的微波介电 能：介电常数 εr=30.1，Q×f=53 037 GHz，τf = –57.21×10–6/℃。
文中部分图表
扩展阅读
1. MnCO3 掺杂对 BMN陶瓷结构及介电性能的影响
彭 森 1,2,3，吴孟强 3，黄同成 1,2，许建明 1,2，罗高峰 1,2，周建华 1,2，余建坤 1,2，张树人 3
(1. 邵阳学院信息工程系，湖南 邵阳 422000；2. 邵阳学院湘西南农村信息化服务湖南省重点实验室，湖南邵阳 422000； 3. 电子科技大学能源科学与工程学院，成都 611731)
摘 要：采用固相烧结法，探讨了 MnCO3掺杂降低 Ba(Mg1/3Nb2/3)O3 (BMN)烧结温度的机理，研究了 MnCO3掺杂量对 BMN 陶瓷微波介电性能的影响。结果表明，适量的 MnCO3掺杂可以促进烧结，有效降低 BMN 陶瓷的烧结温度，改善陶瓷的微波介电性能。当 MnCO3掺杂量为 4%(质量分数)时，BMN 陶瓷的烧结温度从纯相烧结时的 1 550 ℃降低到 1 250 ℃，表观密度ρ = 6.36 g/cm3，相对理论密度达到 98.6%，并具有良好的微波介电特性：高相对介电常数 εr = 31.4，高品质因数与谐振频率的乘积 Q·f =99200 GHz (8 GHz)，接近于零的谐振频率温度系数 τf = 3×10–7/℃。
关键词：掺杂；微波介质陶瓷；介电性能
中图分类号：TM277 文献标志码：A
文章编号：0454–5648(2017)03–0339–07
网络出版时间：2017–02–20 10:02:11
网络出版地址：
http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170220.1002.003.html
收稿日期：2016–08–22。
修订日期：2016–09–17。
基金项目：
国家自然科学基金(61135004)；
湖南省自然科学基金(14JJ7075， 15JJ2130)；
湖南省教育厅基金(13A091，14A129，07C681)；
湖南省高校科技创新团队支持计划资助。
第一作者：彭 森(1983—)，男，硕士，讲师。
通信作者：吴孟强(1970—)，男，博士，教授。
2. 掺 Mn对 Ca0.6La0.8/3TiO3陶瓷微波介电性能的影响
庞锦标，窦占明，杨 康，杨 俊
(中国振华集团云科电子有限公司，贵阳 550018)
摘 要：采用固相反应法制备 Mn 掺杂 Ca0.6La0.8/3(Ti1–xMnx)O3陶瓷，研究了掺杂离子对其相结构和微波介电性能的影响。结果表明：Mn 掺杂样品为单一的正交晶系钙钛矿结构；样品体积密度以及 Q×f0值随着 MnO2含量的增加呈现出先增大后减小趋势；而介电常数 εr随着 MnO2含量的增加仅有小幅度降低；MnO2的加入有助于谐振频率温度系数 f的降低。当 Mn 掺杂量 为0.015 时，样品具有较佳的微波性能：εr=113、Q×f0=9 877 GHz 和t f =186×10–6/℃。
关键词：微波陶瓷；掺杂；固相反应；介电性能
中图分类号：TB321 文献标志码：A
文章编号：0454–5648(2017)09–1296–07
网络出版时间：2017–07–27 18:08:24
网络出版地址：
http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170727.1808.010.html
收稿日期：2016–11–09。
修订日期：2017–01–16。
基金项目：
博士后科学基金(2015M582537)；
国防科工局基础科研项目 (JCKY2016C211007)；
贵州省重大专项(20163011)；
贵州省 工业攻关项目(20153005) ；
工信部强基工程项目 (0714-EMTC02-5271/3)资助。
第一作者：庞锦标(1984—)，男，博士，高级工程师。
3. Nb5+掺杂BaZr0.1Ti0.89Fe0.01O3陶瓷的晶体结构及介温特性
闫树浩，郑占申，李远亮，汪宇凡，顿温新
(华北理工大学材料科学与工程学院，河北省无机非金属重点实验室，唐山市环境功能材料重点实验室，河北 唐山063210)
摘 要：采用传统固相法制备 BaZr0.1Ti0.89Fe0.01O3–yNb2O5(BZTF–yNb)陶瓷，研究了 Nb2O5作为改性剂对 BZTF 陶瓷晶体结构、微观形貌及弥散相变的影响。结果表明：所有试样均形成单一的钙钛矿晶相结构，Nb2O5对晶体结构有一定的调整作用。 当掺入量为 0.75% (摩尔分数)时，试样常温下为四方相结构。当 0.00≤y≤0.75%时，试样的介电常数随掺杂量 y 的增加而逐渐增大，介电损耗则呈现急剧减小趋势。Nb2O5可使四方相更加稳定，Curie 温度移向高温方向。同时，铁电相向顺电相转变的相变峰变得宽化和弥散，提高试样的介温稳定性。烧结温度为 1 300 ℃、Nb2O5含量为 0.75%时陶瓷试样有最佳的介电性能： 介电常数 ε=6 039，介电损耗 tanδ=0.007，Curie 温度TC与弥散系数 γ 分别为 16 ℃和 1.98。
关键词：五氧化二铌；弥散相变；介温特性
中图分类号：TQ174 文献标志码：A
文章编号：0454–5648(2017)12–1763–07
网络出版时间：2017–11–01 14:32:32
网络出版地址：
http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20171101.1432.006.html
收稿日期：2017–03–10。
修订日期：2017–05–11。
第一作者：闫树浩(1991—)，男，硕士研究生。
通信作者：郑占申(1968—)，男，博士，教授。
4. Pr2Ti2O7织构陶瓷的等离子活化烧结
高潇逸 1，张联盟 1，王传彬 1，沈 强 1，姜敬陆 2
(1. 武汉理工大学，材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070；2. 湖北新华光信息材料有限公司，湖北 襄阳 441057)
摘 要：采用等离子活化烧结技术，制备了具有(100)择优取向的钛酸镨(Pr2Ti2O7)织构陶瓷，研究了烧结工艺对其显微结构、 织构化及铁电性能的影响。结果表明：经过两步等离子活化烧结后，Pr2Ti2O7晶粒呈片层状平行于样品表面规则排列，沿(100) 晶面取向生长，其织构度因子为 0.72 且结构致密，外观完整规则。该织构化陶瓷具有较强的铁电各向异性，沿平行于(100) 晶面生长方向具有更高的剩余极化强度。
关键词：钛酸镨陶瓷；织构化；等离子活化烧结；铁电性能
中图分类号：TQ174.75 文献标志码：A
文章编号：0454–5648(2017)02–0323–04
网络出版时间： 2017–01–18 21:53:04
网络出版地址：
http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170118.2153.015.html
收稿日期：2016–07–02。
修订日期：2016–09–02。
基金项目：
国家自然科学基金(51272195, 51521001)；
111 计划(B13035)。
第一作者：高潇逸(1992—)，男，硕士研究生。
通信作者：王传彬(1974—)，男，教授。