Керамика BaAl2–2x(ZnSi)xSi2O8 (x = 0,2–1,0) была приготовлена традиционным методом твердофазной реакции. Затем были исследованы характеристики спекания, фазовый состав и микроволновые диэлектрические свойства приготовленных композиций. Все составы показали одну фазу, за исключением x = 0,8. При замене ионов Al3+ (Zn0,5Si0,5) 3+ оптимальные температуры спекания композиций снизились с 1475 °С (х = 0) до 1000 °С (х = 0,8), а затем несколько повысились до 1100 °С. (х = 1,0). Кроме того, была улучшена фазовая стабильность BaAl2Si2O8. Новая микроволновая диэлектрическая керамика BaZnSi3O8 была получена при температуре спекания 1100 °С. Эта керамика обладает хорошими микроволновыми диэлектрическими свойствами с εr = 6,60, Q × f = 52401 ГГц (на 15,4 ГГц) и τf = -24,5 ppm/°C.
1. Введение
Диэлектрическая керамика с низкой диэлектрической проницаемостью (εr < 15) является ключевым материалом для микроволновой беспроводной связи в виде высокочастотных подложек, диэлектрических антенн, высокоточных конденсаторов и компонентов миллиметрового диапазона, таких как резонаторы и фильтры [1]. По мере расширения диапазонов рабочих частот микроволновой беспроводной связи большое внимание привлекают высокие характеристики микроволновой диэлектрической керамики с низкой диэлектрической проницаемостью. Обычно силикат имеет низкую относительную диэлектрическую проницаемость из-за связи SieO, которая включает 45% ионной связи и 55% силы ковалентной связи [2]. Недавно многие силикаты, такие как виллемит (Zn2SiO4), форстерит (Mg2SiO4) и диопсид (CaMgSi2O6) [3–5], были исследованы как потенциальные кандидаты для устройств миллиметрового диапазона, учитывая их низкую диэлектрическую проницаемость и высокую добротность. Целсиан (BaAl2Si2O8), природный минерал плагиоклаз-полевой шпат, используется в качестве барьерного покрытия для окружающей среды, люминофора BaAl2Si2O8: Eu2+ и матричного материала в армированных волокнами композитах [6–8]. В настоящее время тепловым, оптическим и механическим свойствам цельзианской керамики уделяется большое внимание, в то время как их диэлектрические свойства изучались лишь в нескольких исследованиях. В 2000 г. McCauley сообщил о диэлектрических свойствах твердых растворов Ba1–xSrxAl2Si2O8 [9]. С 2005 по 2009 год Krzmanc et al. [10–14] систематически исследовали кристаллическую структуру и микроволновые диэлектрические свойства керамики на основе плагиоклаз-полевого шпата и обнаружили, что керамика BaAl2Si2O8 демонстрирует высокое значение Q×f при спекании при 1500 °С в течение 40 ч. Лей и др. В работе [15] получена почти нулевая усадка микроволновая диэлектрическая керамика BaAl2Si2O8 при температуре спекания 1475 °C с использованием этанола в качестве диспергатора. Хотя BaAl2Si2O8 и другая керамика на основе плагиоклазового полевого шпата обладают хорошими микроволновыми диэлектрическими свойствами, их коммерческое применение затруднено рядом проблем. Например, температура спекания твердых растворов Ba1-xMxAl2Si2O8 (M = Ca, Sr; 0 ≤ x ≤ 1,0) составляет примерно 1500 °С, что требует больших энергозатрат и требований к оборудованию. Хотя твердые растворы KxBa1-xGa2-xGe2+xO8 (0 ≤ x ≤ 1,0) обладают хорошими микроволновыми диэлектрическими свойствами и низкой температурой спекания, их сырье, такое как Ga2O3 и GeO2, дорого. Твердые растворы NaxCa1-xAl2-xSi2+xO8 (0 ≤ x ≤ 1,0) с низкой температурой спекания имеют максимальное значение добротности всего 17600 ГГц.

Следовательно, возможным решением этих проблем является снижение температуры спекания керамики BaAl2Si2O8 при сохранении высокого значения Q×f. Как и BaAl2Si2O8, алюминийсодержащие керамики и алюминаты, такие как Sr2Al2SiO7, MAl2O4 (M = Mg, Zn) и Y3Al5O12 [16–19], имеют сверхвысокие температуры спекания благодаря сильным связям AleO и высокой энергии решетки. Содержание алюминия оказывает существенное влияние на температуру спекания. Помимо температуры спекания, еще одной важной проблемой для нас является фазовый переход BaAl2Si2O8. BaAl2Si2O8 имеет три различных фазы — гексагональную, моноклинную и орторомбическую. Гексагональная цельсия может сосуществовать с моноклинной цельзианом при температурах ниже 1590 °C. Обратимый фазовый переход произойдет между гексагональной и орторомбической фазами примерно при 300 °С; этот фазовый переход сопровождается резким изменением объема [20]. Следовательно, фазовый переход цельсиана вызовет микротрещины и ухудшит его микроволновые диэлектрические свойства. Уменьшение доли Al в соединении является правильным методом снижения температуры спекания и регулирования фазового перехода. В 1979 г. Склар продемонстрировал механизм замещения, при котором ионы (Fe0,5Si0,5)3+ замещали ионы Al3+ в CaAl2Si2O8 [21]. Температура изготовления керамики CaAl2-2x(FeSi)xSi2O8 (0 ≤ x ≤ 1,0) составляет от 1050 °С до 1200 °С. В этой работе предложен новый подход к снижению температуры спекания Al-содержащей керамики и формированию новой фазы CaFeSi3O8. Лю и др. [22,23] заменили Al3+ в керамике SrLaAl1−x(Zn0,5Ti0,5)xO4 на (Zn0,5Ti0,5)3+ и получили новую фазу SrLa(Zn0,5Ti0,5)O4. За исключением концевого элемента CaFeSi3O8 в керамике CaAl2-2x(FeSi)xSi2O8 (0 ≤ x ≤ 1,0), существование CaZnSi3O8, BaZnSi3O8 и CaMgSi3O8 [24–27] было подтверждено предыдущими исследованиями. AMSi3O8 (A = Ca, Ba; M = Mg, Zn, Fe) — новый тип плагиоклазово-полевошпатового материала, который имеет сходную с MAl2Si2O8 структуру (M = Ca, Sr, Ba) и среднюю температуру спекания, что обеспечивает возможен вариант снижения температуры спекания и стабилизации фазового состава керамики BaAl2Si2O8 за счет образования твердого раствора между BaAl2Si2O8 и BaZnSi3O8. Поэтому для замещения ионов Al3+ использовали ионы (Zn0,5Si0,5)3+, а твердые растворы BaAl2–2x(ZnSi)xSi2O8 (x = 0,2–1,0) готовили традиционным методом твердофазной реакции. Исследованы характеристики спекания, фазовый состав и микроволновые диэлектрические свойства керамики BaAl2–2x(ZnSi)xSi2O8 (x = 0,2–1,0).
…………………
4. Выводы
В настоящей работе исследованы спекание и микроволновые диэлектрические свойства твердых растворов BaAl2–2x(ZnSi)xSi2O8 (x = 0,2–1,0). Замена Al на (Zn0,5Si0,5) в BaAl2Si2O8 значительно снизила температуру спекания с 1475 °C (BaAl2Si2O8) до 1100 °C (BaZnSi3O8). В твердых растворах BaAl2–2x(ZnSi)xSi2O8 (x = 0,2–0,6 и 1,0) гексагональная фаза и микротрещины отсутствуют, а замещение (Zn0,5Si0,5)3+ существенно повышает фазовую устойчивость BaAl2Si2O8. Максимальная растворимость BaAl2-2x(ZnSi)xSi2O8 находилась в пределах от 0,6 до 0,8 для x, а низкотемпературная эвтектика была получена при x = 0,8. Состав и плотность преобладают над микроволновым диэлектриком. Изменение относительной диэлектрической проницаемости и значения Q × f демонстрировало ту же тенденцию, что и объемная плотность для каждого состава. Значение εr постепенно увеличивалось и достигло максимального значения 7,31 при x = 0,6, после чего уменьшилось. Изменение значения Q × f имело обратную тенденцию с изменением значения εr. τf достигла максимального отрицательного значения -63 ppm/°C при x = 0,8. Новый тип плагиоклаза BaZnSi3O8 был получен при 1100 °C, который обладает хорошими микроволновыми диэлектрическими свойствами с εr = 6,60, Q × f = 52401 ГГц (на 15,4 ГГц) и τf = -24,5 ppm/°C и средней температурой спекания. Однако чувствительная спекаемость и слегка отрицательное значение τf BaZnSi3O8 должны быть улучшены в будущем.