SrRAlO4（R=La，Nd，Sm）基陶瓷的结构与微波介电性能

论文摘要

具有K2NiF4结构的MRAlO4 （M=Sr,Ca; R=La, Nd, Sm）陶瓷微波介电性能优异,且制备容易、成本低,在微波高端和毫米波元件中有着十分重要的潜在应用。本文系统地研究了SrRAlO4陶瓷的成分、晶体结构、微结构对微波介电性能的影响规律,探索了其性能优化的途径。得到如下主要结论：成分剪裁对SrSmAlO4陶瓷的相组成、微结构和微波介电性能有着重要的影响。名义组成为Sr1+xSm1-xAlO4-x/2的陶瓷主晶相为K2NiF4结构,同时含有少量随x值变化的第二相。当x>0时,第二相为Sr2.25Sm0.75AlO4.875,而当x<0时,第二相为SrSm2Al2O7。不同的第二相和微结构对微波介电性能有着不同的影响,化学计量成分对于保证最佳Qf值至关重要。Sr/Ti协同置换影响SrSmA104陶瓷的层间极化和结构许容因子。随着置换量的增大,层间极化效应减弱,有利于Qf值的提高,而结构稳定性降低,对（?）值有负面影响。过大的A位离子半径差（Sr2+/Sm3+:1.31 A/1.132 A）导致岩盐层内的内应力增大,最终导致（?）值的下降。HRTEM和SAED观察表明晶格畸变随着x值的增大而增大。利用XRD数据Rietveld结构精修、拉曼光谱和红外反射光谱分析,研究了Sr1+xSm1-xAl1-xTixO4 （x=0,0.05.0.10,0.15）陶瓷的精细结构变化,发现Sr/Sm-O（2b）和A1/Ti-O（2）键在x=0.10到0.15处有反常的变化。这一反常变化导致额外的内应力,致使（?）在x=0.10到0.15处显著下降,表明Qf值对沿着c轴方向离子排列引起的结构变化敏感。通过Ca2+置换Sr2+形成固溶体的方法,合成了具有K2NiF4结构的（Sr1-xCax）SmAlO4 （x= 0.0.1.0.3.0.5,0.7,0.9,1.0）陶瓷,其Oj值获得显著改善。红外反射光谱的拟合分析揭示,A位离子半径差减小使得本征损耗降低。同时, A位离子所处的十二面体结构通融性较好,减小了固溶体中的微结构不均匀,从而降低了非本征损耗。此外,Ca2+的加入削弱了Sr-O键的强度,使得谐振频率温度系数（?）变得更负。在0≤x≥1范围内合成了具有K2NiF4结构的（1-x）SrLaAlO4-xSr2Ti04固溶体陶瓷。随着x值的增大,由于Ti4+具有高的极化率,相对介电常数从17.6增加到31.0。同时,Ti4+长程耦合作用的增加导致了谐振频率温度系数Tf从-32 ppm/℃变到122 ppm/℃.层间失配和层间极化的相互竞争作用导致Of值的变化趋势先小幅上升而后下降,而x=0.2附近的Qf值异常下降与微区成分不均和起伏有关。透射电镜微区分析发现微区成分不均和起伏导致的晶格畸变,这与固溶体形成过程中产生较大正混合焓有关。研究出了以下具有良好综合微波介电性能的材料：1)（Sr1-xCax）SmAlO4（x=0.7）:εr=18.7,Qf=125,100 GHz,τf=-9.7 ppm/℃:2)（1-x）SrLaAlO4-xSr2TiO4（x=0.4）:εr=18.5,Qf=95,000 GHz,τf=-8.9 ppm/℃.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微波介质陶瓷
• 1.2.1 应用背景和发展历史
• 1.2.2 微波介质响应机制及原理
• 1.2.3 微波介质陶瓷性能指标及调控
• 1.2.4 微波介质陶瓷体系及发展趋势
• 2NiF₄结构材料'>1.3 K₂NiF₄结构材料
• 1.4 课题的提出与研究内容
• 4陶瓷的结构与微波介电性能的影响规律'>第二章 成分剪裁对SrSmAlO₄陶瓷的结构与微波介电性能的影响规律
• 2.1 前言
• 2.2 试样制备与测试
• 2.2.1 陶瓷样品的制备
• 2.2.2 样品致密度测量
• 2.2.3 相组成和微结构
• 2.2.4 微波介电性能评价
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 烧结特性、相组成与微结构
• 2.3.2 微波介电性能
• 2.4 结论
• 4陶瓷的结构与微波介电性能的影响规律'>第三章 Sr/Ti协同置换对SrSmAlO₄陶瓷的结构与微波介电性能的影响规律
• 3.1 前言
• 3.2 试样制备与测试
• 3.3 透射电镜样品的制备
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 相组成与晶体结构
• 3.4.2 微结构分析
• 3.4.3 微波介电性能
• 3.5 结论
• 1+xSm_1-xAl_1-xTi_xO₄陶瓷的结构精修与拉曼、红外光谱研究'>第四章 Sr_1+xSm_1-xAl_1-xTi_xO₄陶瓷的结构精修与拉曼、红外光谱研究
• 4.1 前言
• 4.2 试样制备与测试
• 4.3 红外反射光谱的拟合原理
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 XRD结构精修
• 4.4.2 晶格振动模对称性分类
• 4.4.3 拉曼光谱
• 4.4.4 红夕、反射光谱
• 4.4.5 本征损耗讨论
• 4.5 结论
• 1-xCa_x)SmAlO₄陶瓷的结构、微波介电性能与红外光谱分析'>第五章 (Sr_1-xCa_x)SmAlO₄陶瓷的结构、微波介电性能与红外光谱分析
• 5.1 前言
• 5.2 试样制备与测试
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 烧结特性、相组成与晶体结构
• 5.3.2 红外反射光谱拟合
• 5.3.3 微波介电性能
• 5.4 结论
• 4-xSr₂TO₄陶瓷的结构与微波介电性能'>第六章 （1-x）SrLaAlO_4-xSr₂TO₄陶瓷的结构与微波介电性能
• 6.1 前言
• 6.2 试样制备与测试
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.3.1 烧结特性、晶体结构与微结构
• 6.3.2 微波介电性能
• 6.4 结论
• 第七章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读博士学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果