Составы керамики Li3(Mg1–xMnx)2NbO6 готовили традиционным методом твердофазной реакции. Было систематически исследовано влияние замещения Mn2+ на микроструктуру, поведение при спекании и микроволновые диэлектрические свойства керамики Li3(Mg1-xMnx)2NbO6. Рентгенограммы показали, что все образцы, спеченные при 1075–1200 °С, остались одной фазой с орторомбической структурой. Полученные микроволновые диэлектрические свойства показали, что соответствующее количество Mn2+, замещающее Mg2+, может значительно способствовать росту зерен и уплотнению керамики Li3Mg2NbO6. Значения диэлектрической проницаемости и Q×f сильно зависели от объемной плотности и размера зерна соответственно. А близкие к нулю значения τf могут быть реализованы в соединениях Li3(Mg1−xMnx)2NbO6 (0,02≤x≤0,08), спеченных при 1125 °С. Подводя итог, можно сказать, что образец x=0,02, спеченный при 1125°C в течение 4 часов, продемонстрировал превосходные диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне: εr ~ 15,22, Q×f~110,582 ГГц, τf ~-4,57 ppm/°C, что продемонстрировало, что Li3(Mg0. Керамика 98Mn0,02)2NbO6 может быть новым термостабильным и высокодобротным материалом для микроволновых устройств.
1. Введение
Диэлектрические материалы для СВЧ-диапазонов широко распространены в современном обществе с широким спектром применения от беспроводной связи до СВЧ-устройств [1–3]. По сравнению с объемными металлическими полостями, использовавшимися в ранних СВЧ-системах, СВЧ-диэлектрическая керамика имеет явные преимущества с точки зрения стоимости, размеров, массы, стабильности, эффективности, долговечности, прочности и простоты использования в практических приложениях [4, 5]. В связи с недавней революцией в мобильных телефонах и системах спутниковой связи, использующих микроволны в качестве несущей, исследования и разработка новой диэлектрической керамики с низкими потерями для микроволнового излучения стали одной из самых больших проблем в современном материаловедении [1]. Некоторые материалы, обладающие высокими показателями качества, были разработаны для коммерческого применения [6–8], при этом высокая температура спекания (>1300 °C) необходима для достижения отличных микроволновых диэлектрических свойств. В остальном многие СВЧ-материалы обладают превосходными диэлектрическими свойствами [9–11], но большие отрицательные значения τf сильно ухудшают стабильность рабочей частоты и ограничивают их дальнейшее применение в СВЧ-схемах. Поэтому поиск новых термостабильных и высокодобротных СВЧ-материалов остается актуальным в настоящее время. Как одно из структурных соединений каменной соли, керамика Li3Mg2NbO6 [12], спеченная при 1250°C, показала достаточно хорошие микроволновые диэлектрические свойства εr ~16,8, Q×f~79 643 ГГц, τf~-27,2 ppm/°C. И, насколько нам известно, большинство исследований керамики Li3Mg2NbO6 касалось снижения температуры спекания для применений LTCC. Например, Zuo и др. [13, 14] использовали составы 0,5 мас.% 0,17Li2O–0,83V2O5 для снижения температуры спекания керамики Li3(Mg0,92Zn0,08)2NbO6 до 925°C, и керамика обладала превосходными диэлектрическими свойствами в микроволновом диапазоне. εr ~14, Q × ƒ ~83 395 ГГц, τƒ ~−37,2 ppm/°C. Позднее им удалось скорректировать температурный коэффициент резонансной частоты керамики Li3(Mg0,92Zn0,08)2NbO6 до близкого к нулю значения (τƒ~+1,5 ppm/°C) и снизить температуру спекания до 950 °C добавлением 30 мас. % добавки Ba3(VO4)2. Недавно Zhang et al. [15] также провели несколько исследований по низкотемпературному спеканию керамики Li3Mg2NbO6 и обнаружили, что 0,5 мас.% добавки стекла MgO–B2O3–SiO2(MBS) могут снизить температуру спекания до 925°C, а керамика имеет более предпочтительные микроволновые диэлектрические свойства εr ~ 14,5, Q × ƒ ~ 80 759 ГГц, τƒ ~ -20,7 ppm / ° C. Кроме того, Ву и др. [16] исследовали корреляцию между свойствами и структурой керамики Li3Mg2NbO6 на основе теории химической связи и подтвердили, что образец, спеченный при температуре 1225 °C, демонстрирует превосходные микроволновые свойства: εr ~ 14,94, Q×f ~ 100 965 ГГц и τf ~-21,96 м.д./°С. Тем временем Чжан и др. [17] сообщили о диэлектрических свойствах керамики Li3(Mg0,95A0,05)2NbO6(A=Ca2+, Ni2+, Zn2+, Mn2+) и обнаружили, что значение Q×f может быть увеличено до 96,160 ГГц при 0,05 моль Са2+. К сожалению, образец имел большое отрицательное значение τf (-18,49 ppm/°C), что могло серьезно подорвать надежность СВЧ-системы. До сих пор имеется мало сообщений об изменении диэлектрических свойств керамики Li3Mg2NbO6 путем замещения позиций Mg. Также сообщалось, что замещение всегда изменяет диэлектрические свойства в зависимости от твердой растворимости замещающего элемента с исходным составом [18]. Кроме того, совместимость ионного радиуса, ионного заряда и структуры является необходимым условием для образования твердого раствора без существенного ухудшения требуемых свойств. Таким образом, в данной работе нам удалось изменить диэлектрические свойства, используя различное количество Mn2+, так как эффективные ионные радиусы Шеннона [19] Mg2+ (0,72 A CN=6) аналогичны Mn2+ (0,83 A CN=6). ), а ионный заряд Mg2+ равен заряду Mn2+. Кроме того, мы видели, что Mn2+ действует как хороший заместитель в составе (Mg1−xMnx)2TiO4 [20], значения Q×f керамики (Mg0,95Mn0,05)2TiO4 могут быть легко улучшены до сверхвысоких значений по сравнению с 250 000 ГГц и имеют совместимую диэлектрическую проницаемость и значение τf. Следовательно, стоит исследовать, может ли керамика Li3(Mg1-xMnx)2NbO6 проявлять эквивалентные или превосходящие свойства по сравнению с вышеуказанной керамикой на основе Li3Mg2NbO6 [12–17]. В настоящей статье обсуждаются микроструктура, фазовый состав и поведение при спекании керамики Li3(Mg1-xMnx)2NbO6 (0,02≤x≤0,08), а также влияние замещения Mn2+ на Mn2+ на микроволновые диэлектрические свойства керамики Li3(Mg1-xMnx)2NbO6. также подробно исследуются.
……………………
4. Вывод
Керамику Li3(Mg1-xMnx)2NbO6 (0,02≤x≤0,08) получают по обычному твердофазному реакционному пути. Детально изучено влияние замещения Mn2+ на микроструктуру, поведение при спекании и микроволновые диэлектрические свойства керамики Li3(Mg1−xMnx)2NbO6. Рентгенограммы показывают, что все эти композиции представляют собой одну фазу. Мы пришли к выводу, что небольшое количество Mn2+, замещающее Mg2+, играет важную роль в продвижении уплотнения и улучшении микроволновых диэлектрических свойств керамики Li3(Mg1-xMnx)2NbO6. Значения диэлектрической проницаемости и Q×f в значительной степени определяются объемной плотностью и размером зерна соответственно. Кроме того, близкие к нулю значения τf могут быть получены в соединениях Li3(Mg1-xMnx)2NbO6 (0,02≤x≤0,08), спеченных при 1125°C. Таким образом, образец Li3(Mg0,98Mn0,02)2NbO6, спеченный при 1125°C в течение 4 ч, демонстрирует превосходные микроволновые диэлектрические свойства εr ~15,22, Q×f~110 582 ГГц, τf ~-4,57 миллионных долей/°C, что доказывает, что это был бы многообещающий термостабильный и высокодобротный материал для микроволновых цепей.