Исследованы микроволновые диэлектрические свойства и микроструктура новой керамической системы (1-x)Mg(Ti0,95Sn0,05)O3-xCaTiO3 (0,02 ≤ x ≤ 0,08), полученной смешанно-оксидным способом. Для получения термостабильного материала к Mg(Ti0,95Sn0,05)O3 добавляли CaTiO3 в качестве компенсатора температурного коэффициента резонансной частоты (τf). В составах с 0,02 ≤ x ≤ 0,08 образуется смесь двух фаз Mg(Ti0,95Sn0,05)O3 и CaTiO3, что подтверждается данными рентгеноструктурного и энергодисперсионного рентгеноспектрального анализов. Установлено, что значения диэлектрической проницаемости (εr) и τf керамики увеличиваются, а коэффициент качества в ненагруженном состоянии (Qufo) уменьшается с увеличением значений x (т. е. с увеличением содержания CaTiO3). Превосходные микроволновые диэлектрические свойства εr ≈ 21,5, Qufo ≈ 112 500 ГГц (на 9 ГГц) и τf ≈ 1,1 ppm/°C были достигнуты для керамики 0,94{Mg(Ti0,95Sn0,05)O3}–0,06CaTiO3, спеченной при 1375 °С в течение 4 часов.
Введение
За последние четыре десятилетия было исследовано множество микроволновых диэлектрических керамических материалов, чтобы оценить их пригодность для использования в растущем количестве систем беспроводной связи. Чтобы быть пригодными для использования в практических приложениях, микроволновые диэлектрические материалы должны обладать тремя ключевыми характеристиками: высокой диэлектрической проницаемостью (εr), высоким коэффициентом качества без нагрузки (обычно называемым Qufo) для селективности и близким к нулю температурным коэффициентом резонансной частоты (τf) для устойчивости [1]. Были изучены различные диэлектрические материалы, обладающие указанными выше свойствами. Однако в таких случаях рабочие диапазоны частот были изменены на более высокие частоты, например, с 900 МГц до 2,4, 5,2 или даже 5,8 ГГц, что ограничивает использование материалов с высоким εr [2]. Для высокочастотных материалов близкое к нулю значение τf остается одним из основных требований и становится все более важным по мере увеличения рабочей частоты. Для разработки керамики с отличными диэлектрическими свойствами обычно используются два традиционных подхода: смешивание двух или более материалов для достижения компенсации свойств и создание новых материалов. Смешивание двух или более материалов с разными диэлектрическими свойствами более популярно из-за его простоты. То есть для получения материала с τf ≈ 0 более простым и перспективным подходом является смешивание двух разных материалов с положительными и отрицательными значениями τf с образованием смешанных фаз или твердого раствора [3–8].
Титанат магния (MgTiO3) со структурой типа ильменита с тригональной пространственной симметрией R3 является ведущим диэлектрическим материалом, привлекшим большое внимание из-за его низкой стоимости и хорошего сочетания диэлектрических свойств. Благодаря низким диэлектрическим потерям керамика на основе MgTiO3 широко применяется в качестве диэлектриков в резонаторах, фильтрах и антеннах для связи, радаров и систем глобального позиционирования, работающих на микроволновых частотах. Сообщается, что керамика Mg(Ti0,95Sn0,05)O3, в которой Ti4+ частично заменена Sn4+, демонстрирует превосходное сочетание диэлектрических свойств (εr ≈ 17,7 и Qufo ≈ 276 000 ГГц) [9]. Хотя керамика Mg(Ti0,95Sn0,05)O3 демонстрирует превосходное значение Qufo, она также имеет большое отрицательное значение τf (τf ≈ −43 ppm/°C), что ограничивает ее практическое применение. Наиболее удобным и перспективным подходом для достижения близкого к нулю значения τf для керамики Mg(Ti0,95Sn0,05)O3 является ее сочетание с материалом с положительным значением τf. Цель настоящего исследования состояла в том, чтобы приблизить значение τf керамики Mg(Ti0,95Sn0,05)O3 к нулю. CaTiO3 (εr ≈ 170, Qufo ≈ 3600 ГГц, τf ≈ 800 ppm/°C) [10] использовали в качестве компенсатора τf из-за высокого положительного значения τf и добавляли к Mg(Ti0,95Sn0,05)O3. керамики с образованием новой керамической системы: (1 − x) Mg(Ti0,95Sn0,05)O3–xCaTiO3 (MSTCT). Подробно обсуждаются фазовые, микроструктурные и микроволновые диэлектрические свойства керамической системы MSTCT.
……………
Вывод
Керамическая система MSTCT состояла из двух фаз Mg(Ti0,95Sn0,05)O3 в качестве основной фазы в сочетании с второстепенной фазой CaTiO3. С увеличением содержания CaTiO3 значения εr и τf керамики MSTCT увеличивались, тогда как значение Qufo уменьшалось. При увеличении содержания CaTiO3 (значение x) с 0,02 до 0,08 диэлектрическая проницаемость увеличивалась с 19,1 до 22,7, значение Qufo уменьшалось со 155 000 ГГц (на 9 ГГц) до 98 000 ГГц (на 9 ГГц), а значение τf увеличивалось. от -28,7 частей на миллион/°C до +11 частей на миллион/°C. Отличные диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне εr ≈ 21,5, Qufo ≈ 112 500 ГГц (на 9 ГГц) и τf ≈ 1,1 ppm/°C были достигнуты для керамики 6MSTCT, спеченной при 1375 °C в течение 4 часов.