（材料学专业论文）znnb2o6陶瓷的低温烧结研究.pdf

李光耀西北 1 业大学工学硕士学位论文 摘要 本文采用氧化物掺杂和离子置换两种方式研究了 z n n 场 0 6 陶瓷的 低温烧 结， 探讨了 不同方 式对 z n n 场 0 6 陶瓷密度、显微结构及介电性能的影响，及其 降 低z n n b 2 0 6 陶瓷烧结 温度的作用机制，主 要内容如下: 氧化物掺杂方面， 首先单独掺杂了能 够使谐振频率温度系数向正方向变化 的 三种氧化物v 2 0 5 . b i 2 0 3 , b 2 0 3 ， 并分 析了它们降低烧温的 作用机制， 研究表 明 单独掺杂v 2 0 5 . b i 2 0 3 仅能将 z n n b 2 0 6 陶瓷的 烧结 温度从 1 2 0 0 c 降低至 1 0 5 0 ， 而单独掺杂 b 2 0 3 可将烧结温度降低至 9 7 5 0c o v 2 0 5 主要是 通过 v 5 + 进入 z n n b 2 0 6 晶 格 中占 据n b ， 位形 成置 换 固 溶 体 、 降 低离 子 扩 散 激 活能 的 方 式 来 降 低 陶瓷的烧结温度，由于 v 5 + 会择优置换某些位置的 n b 5 十 ，因此掺杂 v 2 0 ， 后 z n n b 2 0 。 陶瓷的晶 粒生长出现方向 性， 晶 粒呈现出片状和柱状。 b i 2 0 3 f u b 2 0 : 主 要是以 形成液相以 及与 z n n b 2 0 6 反应生成晶间 相、引 起离子缺位降低粒子扩散 激活能的方式降低陶瓷的烧结温度。 掺杂b i t 氏时陶瓷中 生成了 立方焦绿石结构 的b z n ， 并聚集在晶 界处抑制了z n n b 2 0 6 陶瓷晶粒的生长， 陶瓷晶 粒呈等轴状。 掺杂b 2 0 3 时陶瓷中无第二相生成，陶瓷晶粒形 貌较为奇 特， 晶界不明显。 在单 独掺杂的基础上木文选择了v 2 0 5 - b i 2 0 3 . v 2 0 5 - b i 2 o 3 - c u o进行复合掺 杂， 研究表明 掺杂v 2 0 5 - b i 2 o 3 可将z n n b 2 0 6 陶瓷的 烧结温度降低至9 5 0 0 c ， 主要 是因为 v 2 0 5 和b i 2 0 3 生成了 低熔点的 共熔物，促进了 烧结和致密化，由 于v 2 0 5 和b i 2 0 : 的共同作用陶瓷中含有柱状晶 和等轴晶两种形貌的晶 粒， 并生成了 少量 未知第二相。在掺杂 1 w t % v 2 0 5 - 1 w t % b i 2 0 : 的 基础上掺杂 c u 0后可将 z n n b 2 0 6 的烧结温度降低至8 5 0 c ， 主要是因为c u o与v 2 0 5 . b i2 0 3 都存在低共熔点， _ 巨 c u 0能够与z n n b 2 0 6 反应形成液相， 使液相出现的温度降 低，降 低烧结温度的 幅度更大。复合掺杂时生成的液相在烧结后期以微小晶间相的形式弥散在 z n n b 2 0 6 陶瓷晶粒的晶界上， 起到了细 化晶粒的作用，因 此陶瓷晶 粒尺寸很小。 离 子置 换 方面 ， 本 文 突 破了 用材 f 置 换n b 5+ 的 常 规， 用v 5+ 置 换n b 5 + ， 研 究表明在置换量 0 . 0 5 - 0 . 1 5范围内 只有置换量为 0 .0 7 5时陶瓷中生成了第二相 z n 3 n b 2 0 $ ， 其余试样均为纯泥铁矿结构的z n n b 2 0 6 ， 可见v s + 在z n n b 2 0 6 中 的置 换固 溶 度是 很 大 的 。 由 于v s + 会 择 优 置换 某些n b + ， 因 此 陶 瓷晶 粒 呈 柱状 ， 且 置 换量 越多 柱 状晶 粒 形 貌 越明 显， 尺 寸 越大 。 v 5 置 换 量 为0 .0 7 5 时 可 将z n n b 2 0 6 陶瓷的烧结 温度降低至 9 0 0 以下， 实验证明 陶瓷中生成的第二相 z n 3 n b 2 0 : 对 z n n b 2 0 6 陶瓷的致密化过程具有关键作用。 关键词 z n n b 2 0 6 ，低温烧结， v 2 0 5 , b 1 2 0 3 , b 2 0 3 ， 复合掺杂，离子置换 李光耀西北 业大学 仁 学硕十学位论文 abs tract t h e l o w - t e m p e r a t u r e f i r i n g o f z n n b 2 0 6 c e r a m i c s w a s s t u d i e d t h r o u g h t w o w a y s o f o x i d e s a d d i t i o n a n d i o n s u b s t i t u t i o n . e ff e c t s o f d i f f e r e n t o x i d e s a n d v s u b s t i t u t i o n o n t h e d e n s i t y , m i c r o s t r u c t u r e a n d d i e l e c t r i c p r o p e r t i e s o f z n n b 2 0 6 c e r a mi c s w e r e in v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l y a s w e l l a s t h e m e c h a n i s m s o f l o w - t e m p e r a t u r e f i r i n g . m a i n c o n t e n t s o f t h i s p a p e r we r e a s f o l l o w s : i n a s p e c t o f o x i d e s a d d i t i o n , z n n b 2 0 6 c e r a m i c s w e r e f i r s t d o p e d w i t h e a c h o f v 2 0 5 , b i 2 0 3 , b 2 0 3 w h i c h c o u l d m a k e t h e rf o f c e r a m i c s m o v e t o w a r d s p o s it i v e d i r e c t i o n . i n v e s t i g a t i o n s r e v e a l e d t h a t v 2 0 5 o r b i 2 0 3 c o u l d r e d u c e t h e s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e o f z n n b 2 0 6 c e r a m i c s f r o m 1 2 0 0 0c o n l y t o 1 0 5 0 c . c o m p a r a t i v e l y t h e s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e o f z n n b 2 0 6 d o p e d w i t h b 2 0 3 c o u l d r e a c h 9 7 5 0c t h e m e c h a n i s m o f lo w e r in g th e s in t e r in g te m p e ra tu r e w i th v 2 0 5 w a s t h a t v + w e n t in to t h e l a t t i c e o f z n n b 2 0 6 f o r mi n g s u b s t i t u t i o n s o l i d s o l u t i o n , w h i c h r e d u c e d t h e a c t iv a t io n e n e r g y o f d if f us io n . b e c a u s e v 5+ s u b s tit u te d s o m e n b 5+ s e le c tiv e ly , g r a i n g r o w t h o f z n n b 2 0 6 c e r a m i c s d o p e d w i t h v 2 0 3 a p p e a r e d d i r e c t i v i t y a n d s h e e t l i k e a n d c o l u m n a r g r a i n s w e r e r e s u l t e d . b i 2 0 3 o r b 2 0 3 r e d u c e d t h e s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e m a i n l y b y f o r mi n g e u t e c t i c p h a s e a n d i n t r o d u c i n g i o n v a c a n c y i n t o z n n b 2 0 6 l a t t i c e . a d d i n g b i 2 0 3 t o z n n b 2 0 6 c e r a m i c s c a u s e d t h e c e r a mi c s g e n e r a t e a s e c o n d p h a s e o f c u b i c p y r o c h l o r e b z n w h i c h a g g l o m e r a t e d a t g r a i n b o u n d a r i e s r e s t r a i n i n g t h e g r a i n g r o w t h o f z n n b 2 0 6 . wh i l e b 2 0 3 w a s a d d e d , n o n e w p h a s e w a s d e t e c t e d. o n t h e b a s i s o f s i n g l e o x i d e a d d i t i o n , m u l t i p l e x o x i d e s o f v 2 0 5 - b i 2 0 3 , v 2 0 5 - b i 2 0 3 - c u 0 w e r e a d d e d t o z n n b 2 0 6 c e r a m i c s . s t u d i e s r e v e a l e d t h a t v 2 0 5 - b i2 0 3 c o u l d r e d u c e t h e s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e o f z n n b 2 0 6 t o 9 5 0 c f o r v 2 0 5 a n d b i2 0 3 f o r m e d e u t e c t i c p h a s e w h i c h c o u l d a c c e l e r a t e t h e s i n t e r i n g . i n fl u e n c e d t o g e t h e r b y v 2 0 5 a n d b i 2 0 3 , g r a i n s h a p e s o f c o l u m n a n d s h e e t w e r e r e s u l t e d . a s ma l l q u a n t i t y o f u n k n o w n p h a s e w a s d e t e c t e d i n t h e c e r a m i c s . c o - d o p i n g c u o w i t h l w t %v 2 0 5 - l w t % b i 2 0 3 c o u l d l o w e r t h e s i n t e r i n g t e mp e r a t u r e t o 8 5 0 0 c b e c a u s e e u t e c t i c p h a s e s c o u ld b e g e n e r a t e d a mo n g c u o , v 2 0 5 , b i 2 0 3 a n d z n n b 2 0 6 . t h e e u t e c t i c p h a s e s d i s p e r s e d a t t h e g r a i n b o u n d a r i e s o f z n n b 2 0 6 c e r a m i c s , w h i c h d i mi n i s h e d t h e g r a i n s i z e . w ith r e s p e c t t o io n s u b s titu tio n , v , b u t n o t t h e tr a d i tio n a l t a , w a s u s e d to s u b s ti tu te n b 5 . w h e n s u b s tit u tio n a m o u n t w a s w ith in 0 .0 5 - 0 .1 5 , n o n e w p h a s e w a s d e t e c t e d i n z n n b 2 0 6 c e r a mi c s e x c e p t s u b s t i t u t i o n a m o u n t o f 0 . 0 7 5 w h ic h c a u s i n g t h e g e n e ra ti o n o f z n 3 n b 2 0 y . b e c a u s e o f th e s e le c t iv e s u b s t itu ti o n o f n b 5 b y v 5 , g r a in s a p p e a r e d c o l u m n a r s h a p e . t h e s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e o f z n n b 2 0 6 c e r a m i c s c o u l d b e r e d u c e d t o b e l o w 9 0 0 c wi t h t h e s u b s t i t u t i o n a mo u nt o f 0 . 0 7 5 b e c a u s e o f t h e s e c o n d p h a s e o f z n 3 n b 2 0 y ke y wo r d s z n n b 2 0 6 , l o w- t e m p e r a t u r e s i n t e r i n g , v 2 0 5 , b i2 0 3 , b 2 0 3 , c o - d o p i n g , i o n s u b s t i t u t i o n 第 1章绪论 第 1章绪论 . ，研究背景及意义 微波介 质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种 功能的陶瓷材料， 适于制作各种微波器件， 如电 子对抗、导 航、 通讯、 雷达、 家 用卫星直播电视接收机和移动电话等设备中的稳频振荡器、 滤波器和鉴频器， 还 可以 用作 微波电路的载体、 介质天线、 介质波导回路等， 能满 足微波电 路小型化、 集 成 化、 高 可 靠 性 和 低 成 本的 要 求 u -51 实现微波设备的小型化、高稳定性和低成本的途径是微波电路的集成化， 但是由于金属谐振腔和金属波导体积重量过大，大大限制了微波集成电路的发 展， 而微波介质陶瓷制作的谐振器与微波管、 微带线等构成的微波混合集成电路， 可使器件尺寸达到毫米量级， 这使得微 波介质陶瓷成为实 现微波控制功能的基础 和关键材料。 它的 应用大致分为两个方面: 一是用于介质谐振器 ( d r o ) 的介质 陶瓷， 包括带通 ( 阻) 滤波器、 分频器、 双工器和多工器、 调制解调器等固体振 荡器中的稳频元件: 另一种是 用于 微波电路中的介质陶瓷， 其中 包括用于微波 集 成电 路 ( m i c )的 介质基片、 介质波导、 及 微波电容器等。 除了作为m l c 基片、 支 撑件及介质波导衬底材料要求。 小外， 介质谐振器及其它微波器件一 般都要 求 高。 ， 及高 品 质 因 数q x f 值 和 适 度 小 且 可调 整的 谐 振 频 率 温 度 系 数i f 161 0 目前在微波通信领域存在着两大发展趋势影响着对微波介质陶瓷的性能 要求。 首先现代移动通信技术己经在全球范围内日益普及，用户量不断扩大，尤 其是移动互联网技术的发展， 使移动通信的信息容量更是呈指数增长， 为了容纳 不断增长的通信容量， 微波通信的频率就势必向 着更高频率， 即毫米波和亚 毫米 波的 方向发展。 这给微波介质陶瓷的 性能要求带来了两方面的影响， 首先介电 常 数 的 重 要 性 相 对降 低， 由 于 介 质 谐振 器的 尺 寸 与a / 在成 正比 ， 频率 越 高 波 长 越短， 介质谐振器 的尺寸 在介电常数不是很大的情况下也可以 很小; 其次品质因 数的重要性升高，因为在微波频段下 品质因 数与频率的 乘积 q x f 是常数，q x f 佰越丈洗颇性越 好( 7 1 第二个发展方向是通信终端向着小型化、轻量化、集成化、高可靠性和低 成本的方向发展。 为了满足通信终端的小型化 最初的努力是要提高材料的介电 常数， 因为谐振器的尺寸大小与 介电常数的平方根成反比， 但在更高 频率 下提高 介电常数减小谐振器尺寸的作用是有限的。为了实现通信终端的进一步小型 化， 采用微波频率下的多层集成电路技术 ml i c )逐渐得到发展，而多层片式元件 ( 包括片式微波介质谐振器、 滤波器及具有优良高频使用性能的片式陶瓷电容器 等) 是实现这 月 的的唯一途径。 微波元器件的片式化需要微波介质材料能与高 电导率的金属电 极共烧。从低成本和环保角度考虑，使用熔点较低的 a g ( 9 6 1 ) 或 c u ( 1 0 6 4 c ) 等贱 金属作为电 极材料最为理想，而 这就要求微波介质材 料能够低温烧结。 所以能 够和a g 等高电导率的贱金属电极 共烧的 低温烧结微波 介 质 陶 瓷 是 今 后发 展的 必 然 方向 is , y 1 第 1章绪论 第 1章绪论 . ，研究背景及意义 微波介 质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种 功能的陶瓷材料， 适于制作各种微波器件， 如电 子对抗、导 航、 通讯、 雷达、 家 用卫星直播电视接收机和移动电话等设备中的稳频振荡器、 滤波器和鉴频器， 还 可以 用作 微波电路的载体、 介质天线、 介质波导回路等， 能满 足微波电 路小型化、 集 成 化、 高 可 靠 性 和 低 成 本的 要 求 u -51 实现微波设备的小型化、高稳定性和低成本的途径是微波电路的集成化， 但是由于金属谐振腔和金属波导体积重量过大，大大限制了微波集成电路的发 展， 而微波介质陶瓷制作的谐振器与微波管、 微带线等构成的微波混合集成电路， 可使器件尺寸达到毫米量级， 这使得微 波介质陶瓷成为实 现微波控制功能的基础 和关键材料。 它的 应用大致分为两个方面: 一是用于介质谐振器 ( d r o ) 的介质 陶瓷， 包括带通 ( 阻) 滤波器、 分频器、 双工器和多工器、 调制解调器等固体振 荡器中的稳频元件: 另一种是 用于 微波电路中的介质陶瓷， 其中 包括用于微波 集 成电 路 ( m i c )的 介质基片、 介质波导、 及 微波电容器等。 除了作为m l c 基片、 支 撑件及介质波导衬底材料要求。 小外， 介质谐振器及其它微波器件一 般都要 求 高。 ， 及高 品 质 因 数q x f 值 和 适 度 小 且 可调 整的 谐 振 频 率 温 度 系 数i f 161 0 目前在微波通信领域存在着两大发展趋势影响着对微波介质陶瓷的性能 要求。 首先现代移动通信技术己经在全球范围内日益普及，用户量不断扩大，尤 其是移动互联网技术的发展， 使移动通信的信息容量更是呈指数增长， 为了容纳 不断增长的通信容量， 微波通信的频率就势必向 着更高频率， 即毫米波和亚 毫米 波的 方向发展。 这给微波介质陶瓷的 性能要求带来了两方面的影响， 首先介电 常 数 的 重 要 性 相 对降 低， 由 于 介 质 谐振 器的 尺 寸 与a / 在成 正比 ， 频率 越 高 波 长 越短， 介质谐振器 的尺寸 在介电常数不是很大的情况下也可以 很小; 其次品质因 数的重要性升高，因为在微波频段下 品质因 数与频率的 乘积 q x f 是常数，q x f 佰越丈洗颇性越 好( 7 1 第二个发展方向是通信终端向着小型化、轻量化、集成化、高可靠性和低 成本的方向发展。 为了满足通信终端的小型化 最初的努力是要提高材料的介电 常数， 因为谐振器的尺寸大小与 介电常数的平方根成反比， 但在更高 频率 下提高 介电常数减小谐振器尺寸的作用是有限的。为了实现通信终端的进一步小型 化， 采用微波频率下的多层集成电路技术 ml i c )逐渐得到发展，而多层片式元件 ( 包括片式微波介质谐振器、 滤波器及具有优良高频使用性能的片式陶瓷电容器 等) 是实现这 月 的的唯一途径。 微波元器件的片式化需要微波介质材料能与高 电导率的金属电 极共烧。从低成本和环保角度考虑，使用熔点较低的 a g ( 9 6 1 ) 或 c u ( 1 0 6 4 c ) 等贱 金属作为电 极材料最为理想，而 这就要求微波介质材 料能够低温烧结。 所以能 够和a g 等高电导率的贱金属电极 共烧的 低温烧结微波 介 质 陶 瓷 是 今 后发 展的 必 然 方向 is , y 1 李光耀西北 卜 业人学 仁 学硕士学位论文 综上所述， 现代微波通信技术对微波介质陶瓷的 性能要求是: 高的q x f 值、 低的烧结温度、 近于零的可调整的温度系数、以及一定水平的介电常数。本论文 根据上述要求， 重点研究了 微波介质陶瓷z n n b 2 0 6 q x 户 8 3 7 0 0 g h z , e = 2 5 左 右) 的低温烧结技术，使其能够应用于微波集成电路技术之中。 1 . 2微波介质陶瓷的应用及性能指标 2 .1微波介质陶瓷的应用原理 当电路谐振频率很高 时， 集中 参数元 件就必须向 分布参数元件过渡n a l ， 这是 因为: 当电磁波波长减小只可与回路元件尺寸相比 拟的 程度时， 电 磁波的 辐射 相当 显 著， 从 而q 值大 大 降 低。 回 路的 谐 振 频率 为 f = (l c ) -in ， 随 着 f n 值 不 断 升高，l . c 的值减少，尺寸也相应减小，从而使微小型器件的制作条件无法得 到满足。 集中 参数器件尺寸不断减 小与电 路承受功率不断增大产生了 无法兼顾 的矛盾。由 于办急剧增高， l . c大幅 度减小，即电 容器极板面积不断减小、 极 板间距不断增大:电感器匝数不断减少直至成为一根导线，甚至多根导线并联， 其极至状态就成为一个封闭的金属圆筒 ( 如图 1 - 1 ) , 即谐振腔。 这样便将电磁波 包含在腔内有限空间中，而不以热、辐射或其它形式释放。 图 1 一 i 随频率增高由 集中l c电路向 谐振腔过渡示意图 1 o 1 f i g . l 一 1 g e n e r a l v i e w o f t h e t r a n s f o r m a t io n f r o m c o n c e n t r a t iv e l c c i r c u i t t o r e s o n a n t c a v i t y 但金属谐振腔休积大， 无法满足小型化集成化的要求， 而微波介质陶瓷瓷体 与 自由空间边界可以折射和反射微波信号， 易于集成化， 成本低， 从而在微波器 件中显示了重要地位。 以介质谐振器的 形式制造微波振荡 器、 微波滤波器、 调 制 解调器等是微波介质陶瓷最重要的应用， 介 质谐振器的典型工作 模式如图1 - 2 所 不: 户 飞 势 图i 2介 质 谐 振 器的 典 型 _ i _ 作模 式 10 1 f ig . i - 2 升p i c a ) w o r k m o d u l e o f d ie le c t r i c r e s o n a t o r 李光耀西北 卜 业人学 仁 学硕士学位论文 综上所述， 现代微波通信技术对微波介质陶瓷的 性能要求是: 高的q x f 值、 低的烧结温度、 近于零的可调整的温度系数、以及一定水平的介电常数。本论文 根据上述要求， 重点研究了 微波介质陶瓷z n n b 2 0 6 q x 户 8 3 7 0 0 g h z , e = 2 5 左 右) 的低温烧结技术，使其能够应用于微波集成电路技术之中。 1 . 2微波介质陶瓷的应用及性能指标 2 .1微波介质陶瓷的应用原理 当电路谐振频率很高 时， 集中 参数元 件就必须向 分布参数元件过渡n a l ， 这是 因为: 当电磁波波长减小只可与回路元件尺寸相比 拟的 程度时， 电 磁波的 辐射 相当 显 著， 从 而q 值大 大 降 低。 回 路的 谐 振 频率 为 f = (l c ) -in ， 随 着 f n 值 不 断 升高，l . c 的值减少，尺寸也相应减小，从而使微小型器件的制作条件无法得 到满足。 集中 参数器件尺寸不断减 小与电 路承受功率不断增大产生了 无法兼顾 的矛盾。由 于办急剧增高， l . c大幅 度减小，即电 容器极板面积不断减小、 极 板间距不断增大:电感器匝数不断减少直至成为一根导线，甚至多根导线并联， 其极至状态就成为一个封闭的金属圆筒 ( 如图 1 - 1 ) , 即谐振腔。 这样便将电磁波 包含在腔内有限空间中，而不以热、辐射或其它形式释放。 图 1 一 i 随频率增高由 集中l c电路向 谐振腔过渡示意图 1 o 1 f i g . l 一 1 g e n e r a l v i e w o f t h e t r a n s f o r m a t io n f r o m c o n c e n t r a t iv e l c c i r c u i t t o r e s o n a n t c a v i t y 但金属谐振腔休积大， 无法满足小型化集成化的要求， 而微波介质陶瓷瓷体 与 自由空间边界可以折射和反射微波信号， 易于集成化， 成本低， 从而在微波器 件中显示了重要地位。 以介质谐振器的 形式制造微波振荡 器、 微波滤波器、 调 制 解调器等是微波介质陶瓷最重要的应用， 介 质谐振器的典型工作 模式如图1 - 2 所 不: 户 飞 势 图i 2介 质 谐 振 器的 典 型 _ i _ 作模 式 10 1 f ig . i - 2 升p i c a ) w o r k m o d u l e o f d ie le c t r i c r e s o n a t o r 李光耀西北 卜 业人学 仁 学硕士学位论文 综上所述， 现代微波通信技术对微波介质陶瓷的 性能要求是: 高的q x f 值、 低的烧结温度、 近于零的可调整的温度系数、以及一定水平的介电常数。本论文 根据上述要求， 重点研究了 微波介质陶瓷z n n b 2 0 6 q x 户 8 3 7 0 0 g h z , e = 2 5 左 右) 的低温烧结技术，使其能够应用于微波集成电路技术之中。 1 . 2微波介质陶瓷的应用及性能指标 2 .1微波介质陶瓷的应用原理 当电路谐振频率很高 时， 集中 参数元 件就必须向 分布参数元件过渡n a l ， 这是 因为: 当电磁波波长减小只可与回路元件尺寸相比 拟的 程度时， 电 磁波的 辐射 相当 显 著， 从 而q 值大 大 降 低。 回 路的 谐 振 频率 为 f = (l c ) -in ， 随 着 f n 值 不 断 升高，l . c 的值减少，尺寸也相应减小，从而使微小型器件的制作条件无法得 到满足。 集中 参数器件尺寸不断减 小与电 路承受功率不断增大产生了 无法兼顾 的矛盾。由 于办急剧增高， l . c大幅 度减小，即电 容器极板面积不断减小、 极 板间距不断增大:电感器匝数不断减少直至成为一根导线，甚至多根导线并联， 其极至状态就成为一个封闭的金属圆筒 ( 如图 1 - 1 ) , 即谐振腔。 这样便将电磁波 包含在腔内有限空间中，而不以热、辐射或其它形式释放。 图 1 一 i 随频率增高由 集中l c电路向 谐振腔过渡示意图 1 o 1 f i g . l 一 1 g e n e r a l v i e w o f t h e t r a n s f o r m a t io n f r o m c o n c e n t r a t iv e l c c i r c u i t t o r e s o n a n t c a v i t y 但金属谐振腔休积大， 无法满足小型化集成化的要求， 而微波介质陶瓷瓷体 与 自由空间边界可以折射和反射微波信号， 易于集成化， 成本低， 从而在微波器 件中显示了重要地位。 以介质谐振器的 形式制造微波振荡 器、 微波滤波器、 调 制 解调器等是微波介质陶瓷最重要的应用， 介 质谐振器的典型工作 模式如图1 - 2 所 不: 户 飞 势 图i 2介 质 谐 振 器的 典 型 _ i _ 作模 式 10 1 f ig . i - 2 升p i c a ) w o r k m o d u l e o f d ie le c t r i c r e s o n a t o r 第 1 章绪论 对于 t e o u 模式的介质ti i e 振器，谐振频率 1o 可表示为: fn- c / d 石( 1 一 1 ) 其中: 为介电常数; d为振子直径:c 为光速。可见当谐振频率为固定值时 增大。 可以减小器件的尺寸。 2 . 2微波介质陶瓷的性能指标 微波介质陶瓷的主要性能指标有介电常数、 品质因数q或q x f 值、 谐振频 率温度系数， 对作为谐振器用的微波介质陶瓷的性能要求为: 尽可能高的介电常 数、高q x .f 值，高的温度稳定 性，现分别详述如下。 ( ， )介电常数 对于介电 常数而言， 由 于微波的频率非常高， 时间常 数大的电 极化形式如偶 极子位移极化等在微波条件下来不及产生， 而电子位移极化在介电常数中所占成 分极小，所以 起主要作用的 是离子 位移极 化0 i 1 。 根据晶体点阵振动 模型可知: e ( cu ) - e ( o 0 ) 为。频率下电 子位移式极化的复介电 常数，约等于1 ; v为元胞体积: m = m i m y / ( m i + rn , ) , m i , it !- 分别为正负离子的质量; 2为介质等效核电荷数; 9 为元电 荷，约等于 1 . 6 x 1 0 - 弋; : 。 为通常频率一 的静介电常数; ( 0 7 为点阵 振动光学模角频率， (0 1 .1 o ，2 v 1 0 l i z ; y a 为 衰减系数。 式 1 - 2中， m w， 二 0 一 ( z q ) / 3 v 。 、 式中， 日 为相 邻离子间的力 学常数;( z 9 ) / 3 v e ,， 为长程洛伦兹场力。 ( 1 - 3 ) 对于一般微波波段 、 协 斌，故式 ( 。) 1 - 2 可简化为: ( z 4 ) 2 m v s , ( 。 ， 孚 ) ( 1 - 4 ) 由上式可见， 在微波频段: 基本上为定值， 不随频率而变化。 要使 微波介质 陶瓷具有高介电 常数值， 除需 考虑微 观晶相类型及其组合 外， 还应在工艺上保证 晶粒生长充分，结构致密。 ( 2 )品质因数 陶瓷介质的品质因数q为t a n d 的倒数，由三 方面 损耗决定: q - = ta n 6 e + t a n 6 ,t+ ta n 6 , ( 1 - 5 ) 式 中， ta n 6 。 为 介 质 损 耗; ta n 为 欧 姆 损 耗; ta n 么 ， 为 辐 射损 耗。 对于微波材料而言 ，t a n 9 , 和t a n 6 ， 可以 忽略， 所以 第 1 章绪论 对于 t e o u 模式的介质ti i e 振器，谐振频率 1o 可表示为: fn- c / d 石( 1 一 1 ) 其中: 为介电常数; d为振子直径:c 为光速。可见当谐振频率为固定值时 增大。 可以减小器件的尺寸。 2 . 2微波介质陶瓷的性能指标 微波介质陶瓷的主要性能指标有介电常数、 品质因数q或q x f 值、 谐振频 率温度系数， 对作为谐振器用的微波介质陶瓷的性能要求为: 尽可能高的介电常 数、高q x .f 值，高的温度稳定 性，现分别详述如下。 ( ， )介电常数 对于介电 常数而言， 由 于微波的频率非常高， 时间常 数大的电 极化形式如偶 极子位移极化等在微波条件下来不及产生， 而电子位移极化在介电常数中所占成 分极小，所以 起主要作用的 是离子 位移极 化0 i 1 。 根据晶体点阵振动 模型可知: e ( cu ) - e ( o 0 ) 为。频率下电 子位移式极化的复介电 常数，约等于1 ; v为元胞体积: m = m i m y / ( m i + rn , ) , m i , it !- 分别为正负离子的质量; 2为介质等效核电荷数; 9 为元电 荷，约等于 1 . 6 x 1 0 - 弋; : 。 为通常频率一 的静介电常数; ( 0 7 为点阵 振动光学模角频率， (0 1 .1 o ，2 v 1 0 l i z ; y a 为 衰减系数。 式 1 - 2中， m w， 二 0 一 ( z q ) / 3 v 。 、 式中， 日 为相 邻离子间的力 学常数;( z 9 ) / 3 v e ,， 为长程洛伦兹场力。 ( 1 - 3 ) 对于一般微波波段 、 协 斌，故式 ( 。) 1 - 2 可简化为: ( z 4 ) 2 m v s , ( 。 ， 孚 ) ( 1 - 4 ) 由上式可见， 在微波频段: 基本上为定值， 不随频率而变化。 要使 微波介质 陶瓷具有高介电 常数值， 除需 考虑微 观晶相类型及其组合 外， 还应在工艺上保证 晶粒生长充分，结构致密。 ( 2 )品质因数