Новая серия керамики (1-x)Li2ZrO3-xMgO со структурой каменной соли была приготовлена традиционным твердотельным методом. Тетрагонально-кубический фазовый переход можно наблюдать в случае 0,5≤x≤0,6, о чем свидетельствуют результаты РФА и СЭМ-ЭДС. Относительно плотная и однородная микроструктура может быть получена для всех композиций, спеченных при температуре 1500 °С. При увеличении значения x от 0,5 до 0,8 относительная диэлектрическая проницаемость линейно уменьшается от 16,50 до 12,65, а значение τf уменьшается от ~-10 ppm/°C до ~-35 ppm/°C. Добавление MgO стабилизирует кристаллическую структуру и увеличивает энергию связи в системе Li2ZrO3-MgO, поэтому наблюдается тенденция к увеличению значений Q·f от ~77 000 ГГц до ~166 000 ГГц. Как правило, керамика Li2Mg4ZrO7, спеченная при 1500 °C, обладает превосходными свойствами с εr=12,65, Q·f=165,924 ГГц и τf=-34,66 ppm/°C, что делает эти материалы хорошими кандидатами для микроволновых устройств.

1. Введение
Микроволновая диэлектрическая керамика с низкой диэлектрической проницаемостью играет важную роль в широком спектре приложений, от связи миллиметрового диапазона до подложек для микроволновых интегральных схем, которые способствуют развитию смежных отраслей, таких как Интернет вещей (IoT), спутники прямого вещания (DBS). и Глобальная система позиционирования (GPS). Для удовлетворения требований высокоскоростной передачи эти материалы должны обладать соответствующими относительными диэлектрическими проницаемостями (εr), более высокими добротностями (Q·f) и близкими к нулю температурными коэффициентами резонансной частоты (τf). Кроме того, для того, чтобы сделать эти материалы пригодными для практического применения, требуются более низкая температура спекания и затраты на подготовку [1, 2]. В последнее время тройная система Li2AO3-MgO (A=Ti, Zr, Sn) со структурой каменной соли привлекла большое внимание благодаря своим превосходным и регулируемым микроволновым диэлектрическим свойствам [3-16]. Например, серия керамики (1-x)Li2TiO3-xMgO была синтезирована в соответствии с частичной субсолидусной фазовой диаграммой, описанной А.Р. Запад [3-11]. Хотя относительная диэлектрическая проницаемость имеет тенденцию к снижению, значения Q·f значительно улучшаются при увеличении количества добавляемого MgO. В результате некоторые типичные соединения, такие как Li2MgTiO4 (εr=17,25, Q·ƒ=97 300 ГГц, τf=-27,2 ppm/°C, при 1360°C) [5] и Li2Mg4TiO7 (εr=13,43, Q·ƒ= 233 600 ГГц, τf=-27,2 ppm/°C, при 1600°C) [6] могут быть использованы для различных промышленных применений. Аналогичные исследования были проведены и в системе (1-x)Li2SnO3-xMgO, и значение τf удалось сместить с положительного на отрицательное значение при x=0,3 [12-16]. Однако сообщений о фазообразовании и диэлектрических свойствах в керамике (1-x)Li2ZrO3-xMgO было меньше. Сообщалось, что тетрагональная керамика Li2ZrO3, имеющая пространственную группу I41/amd, проявляет микроволновые диэлектрические свойства с εr=15,54, Q·ƒ=37,166 ГГц, τf=-26,60 ppm/°C [17]. С другой стороны, керамика MgO принадлежит к кубической системе с пространственной группой Fm-3m, которая хорошо известна как материал со сверхнизкими диэлектрическими потерями, несмотря на более высокую температуру спекания, а также более низкую диэлектрическую проницаемость [18].
Поскольку размер катиона Mg2+ (0,72 Å) подобен размеру катиона Zr4+ (0,72 Å) и Li+ (0,76 Å) при координационном числе 6, твердые растворы Li2ZrO3-MgO могут быть получены путем ионного замещения [12, 13, 19]. , 20]. Например, сообщается, что керамика Li2Mg3ZrO6 с кубической структурой, которую можно разделить на 0,25Li2ZrO3+0,75MgO, обладает превосходными диэлектрическими свойствами εr=12,17, Q·ƒ=113000 ГГц и τf=-17,13 ppm/°C [12]. , 13]. В нашей предыдущей работе было обнаружено, что керамика Li2MgZrO4 (0,5Li2ZrO3-0,5MgO) обладает тетрагональной структурой. Хотя образец показал более низкую относительную плотность (79,02%) при 1175 °C, он показал подходящие свойства с εr=12,30, Q·f =40,900 ГГц и τf=-12,31 ppm/°C [20]. Таким образом, в системе (1-x)Li2ZrO3-xMgO можно обнаружить тетрагонально-кубический фазовый переход, и ожидается, что составы x=0,50-0,75 будут иметь смешанные фазы. В этой работе было систематически исследовано влияние внутренних факторов и внешних факторов на микроволновые диэлектрические свойства керамики (1-x)Li2ZrO3-xMgO. Ожидается, что соответствующее соотношение Li2ZrO3-MgO обеспечит сбалансированные свойства для практического применения.
…
4. Вывод
Керамика (1-x)Li2ZrO3-xMgO (x=0,5, 0,6, 0,7, 0,75 и 0,8) была успешно получена традиционным твердотельным методом. Рентгенофазовый и ЭДС анализ показывают, что в составе х=0,5-0,6 может сосуществовать многофазность, а в случае х>0,7 появляется одна фаза с кубической структурой. Изменения микроволновых диэлектрических свойств вызваны преобразованием микроструктуры как решающего внутреннего фактора. Меньшая поляризуемость Mg2+ по сравнению с Zr4+ приводит к уменьшению относительной диэлектрической проницаемости, а локальное движение атомов или полиэдрические искажения могут вызывать значительное отклонение между εтео. и значения εr. Измененную кристаллическую структуру можно объяснить изменением энергии отдельных связей, которая играет основную роль в влиянии на значение Q·f. Хотя добавление MgO повышает стабильность индивидуальной связи, тенденция к снижению общей энергии связи элементарной ячейки рассматривается как основной фактор снижения значений τf. Кроме того, на микроволновые диэлектрические свойства также влияют внешние факторы, такие как кажущаяся плотность, вторые фазы и микротрещины. Вся керамика обладает теоретической плотностью более 90% при 1500 °C с превосходными микроволновыми диэлектрическими свойствами εr~12,5-16,5, Q·f~77 000-166 000 ГГц и τf~-10 ppm/°C до -35 ppm/°C. . Кроме того, хорошее сочетание свойств можно обнаружить в керамике Li2Mg4ZrO7, спеченной при 1500 °C (εr=12,65, Q·f=165 924 ГГц и τf=-34,66 ppm/°C), что указывает на то, что система является подходящим кандидатом для дальнейшие исследования или промышленное применение.