Mg4Nb2O9/CaTiO3復合介質陶瓷的制備與性能研究

金姣 倪愛斌

摘 要：采用一步固相燒結法制備了（1–x）Mg4Nb2O9+xCaTiO3顆粒復合微波介質陶瓷。研究了陶瓷的微觀結構和微波介電性能。研究了燒結工藝對陶瓷的相組成、晶體結構和微波介電性能的影響。研究表明，在預燒溫度均為1080℃時，成燒溫度從1235℃升至1435℃，收縮率不斷升高，在1385oC后收縮率變化不大。當x=0.4，預燒溫度1080℃，成燒溫度1385℃保溫24h得到的復合陶瓷的性能達到最佳。

隨著移動通信在現代生活中的普及，人們對微波介電的材料越來越關注。當前，對具有高Q值，合適的介電常數和接近于零的諧振頻率溫度系數的微波介電陶瓷的需求越來越大。[1]Mg4Nb2O9陶瓷具有優良的微波介電性能，如高品質因素（Qf=190 000 GHz），但由于其介電常數εr偏低（εr=12.5）以及諧振頻率溫度系數τf太大（τf=-70*10-6/℃）。[2]所以一般與CaTiO3復合制備Mg4Nb2O9/CaTiO3復合介質陶瓷來使用。[3]但由于Mg4Nb2O9和CaTiO3之間易發生化學反應，不利于形成復合相，一般采用兩步法分別合成法。[4]本文為了節省能耗和生產時間，更利于工廠實際應用，采用一步法制備Mg4Nb2O9/CaTiO3復合介質陶瓷，研究了燒結溫度和比例對陶瓷材料性能的影響。

1 實驗

采用一步固相法制備（1–x）Mg4Nb2O9+xCaTiO3陶瓷，x取0.2-0.8。以Nb2O5（純度99.5%），MgO（純度99.9%），CaCO3（純度99.9%）和 TiO2（純度99.9%）。按照化學配比x= 0.2-0.8，稱取原料，放入尼龍球磨罐中，以無水乙醇作為介質，在行星磨中進行一次球磨（24 h*200r/min）。樣品經烘干、過篩后，在1080℃預燒 24 h，獲得復合粉體。用同樣的方法進行二次球磨（24 h*15r/min），將制得的粉體，球磨、干燥、過篩后，加入質量分數為10%的聚乙烯醇（PVA）造粒，壓制成φ20 mm ×10 mm 的圓片，1235℃至1435℃成燒24 h，獲得（1–x）Mg4Nb2O9+xCaTiO3粉體。采用 Archimedes 法測定樣品的體積密度。選用X 射線衍射（XRD）儀對樣品進行物相分析，測量范圍 2θ為10°～50°。用掃描電鏡（SEM）觀測樣品的顯微結構。采用網絡分析儀測量樣品微波介電性能。

2 結果與討論

通過所得的XRD圖表面，在1080的預燒溫度，和1235℃至1435℃成燒24 h的條件下，均能得到純相復合陶瓷。

圖1為x取0.4時候，0.6Mg4Nb2O9+0.4CaTiO3復合陶瓷粉體在不同的成燒溫度下的收縮率和致密度曲線。由圖1可知，在1235℃下成燒后的收縮率最低，說明該溫度下成燒溫度過低導致收縮率過低。同時發現隨著成燒溫度的升高，收縮率和密度都是先升高后略微下降。成燒溫度達到1385℃時，試樣的收縮率和密度達到最大值，收縮率23%，密度4.1g/cm3。

圖2為1385℃成燒溫度下，x分別取0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8時，所得的SEM圖，由圖可知X小于0.5時，隨著x值得變大，氣孔越少，粉體致密度越好。X大于0.5后，隨著x值得變大，粉體顆粒出現異常長大，氣孔變多。由圖可知X=0.4和0.5時，顆粒氣孔少，陶瓷組織非常致密。

3 結論

在預燒溫度均為1080℃時，成燒溫度從1235℃升至1435℃，收縮率先不斷升高，在1385oC后收縮率變化不大。當x=0.4，預燒溫度1080℃，成燒溫度1385 ℃保溫24h得到的復合陶瓷的性能達到最佳，介電常數εr=28.38，品質因素Qf=13232 GHz，諧振頻率溫度系數τf=-24.8*10-6/℃。

參考文獻

[1]趙梅瑜，王依琳.高介電常數微波介質陶瓷的研究進展[J].電子元件與材料，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]姚國光，田秀勞，劉鵬 .Mg4Nb2O9/CaTiO3復合介質陶瓷的結構和介電性能[J].硅酸鹽學報，2008，36卷11期.

【項目來源】：浙江省高等學校訪問工程師校企合作項目：移動4g基站用諧振器的高Q陶瓷粉體的研究