Композиционная керамика (1-x)ZnGa2O4-xTiO2 (x = 0,05e0,20) была изготовлена традиционным твердотельным методом. Экспериментальные и теоретические значения 3r, tf и Qf показывают аналогичную тенденцию. Настраиваемые микроволновые диэлектрические характеристики были достигнуты благодаря влиянию TiO2, особенно на температурный коэффициент и добротность. Большой отрицательный температурный коэффициент на резонансной частоте (tf) ZnGa2O4 постоянно менялся от отрицательного (70 ppm/°C) до положительного (+13 ppm/oC) 2 отрегулируйте значение tf почти до нуля. Влияние адаптации на фактор качества (Q f) было значительным. Из-за меньших значений Q f TiO2 значение Q f уменьшается с увеличением содержания TiO2. Неоднородная микроструктура приводит к увеличению разницы между расчетным и экспериментальным значением Q f. Кроме того, композитирование TiO2 с керамикой ZnGa2O4 не только способствует росту зерна, но и снижает температуру его спекания с 1400°C до 1300°C. TiO2 не оказывает существенного влияния на диэлектрическую проницаемость ( 3r), а только изменяется от 10,8 до 12,7. Значение 3r 12,3, значение Qf 73000 ГГц (на 11,8 ГГц) и значение tf ±3 ppm/C были достигнуты для 0,85ZnGa2O4-0,15TiO2, спеченных при 1300C в течение 2 часов.
Введение
Из-за острой потребности в высококачественных сверхстабильных генераторах, сверхвысокоскоростных беспроводных локальных сетях (WLAN) и интеллектуальных транспортных системах (ITS), микроволновая диэлектрическая керамика с низким значением K с превосходными микроволновыми диэлектрическими свойствами (высокая добротность f и почти нулевая tf) привлекли большое внимание [1e5]. Al2O3 [6], AWO4 (A = ионы щелочноземельных металлов) [7], R2BaCuO5 (R = Y, In) [8], M2SnO4 [9,10], M2SiO4 [11] и MAl2O4 (M = Zn, Mg) [12,13] представляют собой шесть типичных микроволновых диэлектрических керамических материалов с низким значением K. Среди них M2SnO4, M2SiO4 и MAl2O4 (M = Zn, Mg) обладают структурой шпинели с формулой AB2O4. MGa2O4 (M = Zn, Mg) [14–17], также типичная шпинельная керамика, применялась во многих научных и коммерческих областях, таких как магнитные материалы, катализаторы, полупроводники и сверхпроводники. Это новая микроволновая диэлектрическая керамика, привлекающая внимание с 2013 года. Хотя и MgGa2O4, и ZnGa2O4 являются шпинельной керамикой, они сильно различаются из-за различий в распределении катионов. ZnGa2O4 представляет собой нормальную шпинель с Zn2+, занимающим тетраэдрическую позицию, и Ga3+, занимающую октаэдрическую позицию [18]. Однако MgGa2O4 обладает частичной обратной шпинельной структурой с частью Mg2+, входящей в октаэдрическую позицию, и такой же долей Ga3+, входящей в тетрагональную позицию [19].

Материалы на основе ZnGa2O4 привлекли внимание исследователей своей простой структурой. Керамика ZnGa2O4 демонстрирует относительно высокие коэффициенты качества выше 90 000 ГГц, относительно низкую температуру спекания (1385 °C) по сравнению с другими однофазными низкокалиевыми керамиками, такими как Al2O3, температура спекания которых превышает 1800 °C, и широкий диапазон температур спекания [20]. Таким образом, керамические материалы на основе ZnGa2O4 считаются хорошими кандидатами в качестве низкокалиевых диэлектрических керамических материалов. Во многих исследованиях изучались микроволновые диэлектрические характеристики твердых растворов на основе ZnGa2O4 и ZnGa2O4 [19–26]. Некоторые ионы использовались для замещения Zn2+ или Ga3+, такие как Mg2+, Mn2+, Cu2+ и Al3+, для образования твердых растворов, которые оказались эффективным способом улучшения микроволновых диэлектрических свойств, особенно добротности (Q f). Однако более высокое отрицательное значение tf, ~-70 ppm/°C, ограничивает его применение. Для практических применений требуется наличие относительно низкой диэлектрической проницаемости (3r), высокой добротности (Qf) и близкого к нулю температурного коэффициента (tf). Таким образом, по сравнению с улучшением показателей качества для керамики на основе ZnGa2O4 более значимо получение близкого к нулю значения tf. Обычно для адаптации tf широко распространены следующие два способа: замещение магнитным ионом и композитинг второй фазы [27]. В наших недавних исследованиях вместо ZnGa2O4 использовался магнитный ион Mn2+. Выявлено, что замещение марганца позволяет скорректировать значение tf до 12 ppm/o C, однако не позволяет добиться близкого к нулю температурного коэффициента. Поэтому мы пришли к формированию композитной керамики для получения близкого к нулю значения tf. Согласно правилу смешения [28], оптимальным является материал с большим отрицательным значением tf, высоким значением Qf и относительно низким значением εr. TiO2 с большим положительным значением tf (tf = ±450 ppm/C) [28,29] и высокой добротностью f (Qf = 51000 ГГц) считается эффективным материалом, который может регулировать значение tf керамики ZnGa2O4 [30]. Кроме того, TiO2 может регулировать tf без побочных реакций и в то же время может снижать температуру спекания, поскольку рутил является распространенной добавкой для спекания. В данной работе композитная керамика ZnGa2O4-TiO2 была приготовлена традиционным твердотельным методом. Был систематически исследован эффект адаптации TiO2, включая микроволновые диэлектрические свойства и поведение при спекании.
………………
Выводы
Керамики (1-x)ZnGa2O4-xTiO2 (x = 0,05, 0,10, 0,15, 0,20) были успешно получены традиционным твердотельным методом. Никаких побочных реакций во время приготовления не было. Введение TiO2 позволяет эффективно снизить температуру спекания ZnGa2O4 с 1400°C до 1300°C. Это также способствует росту зерна. Самая высокая относительная плотность была получена при 1300°С для каждой композиции. Теоретические и экспериментальные данные 3r, tf и Qf были сопоставлены и показали хорошую согласованность. Настраиваемые микроволновые диэлектрические характеристики были достигнуты благодаря композиционному эффекту TiO2, особенно для tf и Qf. значение tf смещается с отрицательного (70 ppm/°C) на положительное (+13 ppm/°C). Из-за неоднородной микроструктуры разница значения Q f между расчетным и экспериментальным становится все больше и больше с увеличением содержания TiO2. 0,85ZnGa2O4-0,15TiO2, спеченный при 1300 C в течение 2 ч, демонстрирует хорошие диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне: 3r = 12,3, Q f = 73 000 ГГц, tf = +3 ppm/C. Эта работа демонстрирует, что композиты ZnGa2O4-TiO2 представляют собой хорошую микроволновую диэлектрическую керамику с относительно низкая температура спекания, низкая диэлектрическая проницаемость, высокая добротность и близкий к нулю температурный коэффициент. Кроме того, это также является хорошим примером рационального проектирования для адаптации температурного коэффициента.