文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
ZnO-TiO<,2>基低温烧结微波介质陶瓷的改性及其机理研究
姓名:刘忠池
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:周东祥
20090531
华中科技大学博士学位论文
摘要
ZnO-TiO2 系统中被确认的锌的钛酸盐复合物有三种,即 ZnTiO3(六方)、
Zn2TiO4(立方)、Zn2Ti3O8(立方),此系陶瓷有较低的固有烧结温度和良好的微波介电
性能,加之其原材料便宜,是极有前途的 候选材料之一,因而,近年来对其
结构、烧结特性及微波介电性能的研究日益增多。然而,已有的用于促进 ZnO-TiO2
系陶瓷低温烧结的助烧剂还存在相当的局限性,而且,在 ZnO-TiO2 系陶瓷材料中,
微波 Qf 值较高的六方相 ZnTiO3 至今还不能由固相法制备,因此,本文在这些方面
展开了相关的研究工作。
本文综述了微波介质陶瓷的一些基本问题和近年来的研究概况,特别对低温烧
结微波介质陶瓷的材料体系和研究进展进行了重点阐述;论述了 ZnO-TiO2 系陶瓷的
制备、相构成、各相的结构、微波介电性能、改性及低温烧结研究动态等。
用传统的固相方法(或称混合氧化物粉末法)制备了纯的以及分别添加 V2O5、
MoO3 及 -(摩尔比)的 ZnO-TiO2 陶瓷块体,利用 XRD、SEM、EDS
及网络分析仪等技术手段研究了在不同烧结温度下得到的陶瓷块体的物相构成、烧
结特性、显微形貌特征以及微波介电性能等。结果表明,纯 ZnO-TiO2 陶瓷在 1150°C
左右烧结 4h 即可基本实现致密化烧结, 其密度可达理论值的 94%,微波介电性能
为:εr=,Qf = 7577 GHz,τf = +61 ppm/°C;单从烧结性能看,V2O5 是 ZnO-TiO2
陶瓷的一种良好的助烧剂,添加 2wt%的 V2O5 且在 900°C 烧结 4h 的陶瓷的密度即可
达理论值的 %,但相对于纯陶瓷来说,其微波介电性能却有所降低(εr = ,
Qf=6528GHz);MoO3 在促进 ZnO-TiO2 陶瓷的致密化烧结上不如 V2O5 有效,添加
4wt%的 MoO3 且在 1050°C 烧结 4h 的陶瓷的密度为理论值的 91%,但相对于纯陶瓷
而言其介电性能却有所改善(εr = ,Qf = 9881GHz,τf = +4 ppm/°C);相较于单
一添加 MoO3 的 ZnO-TiO2 陶瓷,添加 - 的 ZnO-TiO2 陶瓷的烧结性
能和 Qf 值均有所提高,添加 4wt%的 - 且在 975°C 烧结 4h 的陶瓷
的密度可达理论值的 94%,其微波介电性能为:εr=,Qf = 12150 GHz,τf = +
ppm/°C。
I
华中科技大学博士学位论文
ZnTiO3 (偏钛酸锌)在 900°C 左右就会开始分解为 Zn2TiO4(正钛酸锌)和金红石,
ZnTiO3 的这种亚稳特性导致其单相粉末极难用传统的固相法进行合成,在合成得到
的钛酸锌粉末中,总是含有大量的 Zn2TiO4 和金红石。本文研究了钛酸锌粉体的制备
工艺技术,以商业 ZnO 和金红石 TiO2 为原料,采取降低合成温度、延长保温时间及
分段烧结工艺,在保证 ZnO 被完全消耗的前提下,合成了高 ZnTiO3 含量的钛酸锌粉
末,其中,ZnTiO3 的质量百分含量可达 %,而在合成温度为 800°C,保温时间
为 4h 的条件下,得到的钛酸锌粉末中只含有 %的 ZnTiO3。
以不同粒径的锐钛矿 TiO2 为前驱体,用固相法在不同烧结温度下合成了
ZnO-TiO2 陶瓷粉末,实验结果表明,ZnO 的存在可大幅度降低锐钛矿→金红石相变
的起始温度,同时,首次发现了一种晶粒尺寸效应,即:前驱体锐钛矿 TiO2 粉末的
平均晶粒度越大,则合成得到的钛酸锌粉末中六方相 ZnTiO3 的含量越高,反之,晶
粒度越小,ZnTiO3 的含量越低。论文对这种尺寸效应进行了解释,并根据实验结果
的变化趋势推测:如果锐钛矿粉末的晶粒度足够小,则产物中很可能不会出现
ZnTiO3。
采用三种不同粒度的金红石 TiO2 和 ZnO 的混合粉末(按粒度由小到大的顺序分
别计为 M0、M1、M2)为前驱体,分别合成了 ZnO-TiO2 陶瓷粉末。实验结果显示,
由 M0 在 630°C、M1 在 645°C 及 M2 在 675°C 烧结得到的产物中(保温时间均