В настоящей работе исследованы микроструктура и микроволновые диэлектрические свойства новой керамики (1–x)MgTiO3–xCa0,5Sr0,5TiO3 (x=0,035–0,045). Образцы были приготовлены методом твердофазного спекания с использованием предварительно синтезированных ультрадисперсных порошков MgTiO3 и (Ca0,5Sr0,5)TiO3 по реакции расплава солей. По мере увеличения значения x от 0,035 до 0,045 коэффициент качества (Q·f) образцов сначала увеличивается, а затем уменьшается, достигая максимума 70 000 при x=0,0375. Диэлектрическая проницаемость (εr) монотонно увеличивается с увеличением x и составляет 20,96 при x=0,0045. Температурный коэффициент резонансной частоты (τf ) прогрессивно увеличивается с увеличением содержания Ca0,5Sr0,5TiO3. При x=0,004 полученная керамика 0,96MgTiO3–0,04Ca0,5Sr0,5TiO3, спеченная при 1275 °C в течение 4 ч, демонстрирует превосходные микроволновые диэлектрические свойства со значением εr около 20,57, относительно высоким значением Q·f примерно 58 000 ГГц, и близкое к нулю значение τf приблизительно -1,16 частей на миллион/°C. Такая керамика может быть хорошим кандидатом для высокоэффективных микроволновых диэлектрических устройств.
Введение
В глобальной системе беспроводной связи в последние десятилетия быстро разрабатываются различные микроволновые диэлектрические компоненты, в которых микроволновые диэлектрические материалы играют ключевую роль с массовым использованием [1-5]. Чтобы удовлетворить требования к высокопроизводительным СВЧ-устройствам, превосходные диэлектрические материалы должны обладать тремя основными характеристиками: соответствующей диэлектрической проницаемостью (εr), высокой добротностью (Q·f) и близким к нулю температурным коэффициентом резонансной частоты. (τf ) [6, 7]. Более высокое значение εr облегчило бы миниатюризацию устройств, высокое значение Q·f обеспечивает низкие потери, а близкое к нулю значение τf обеспечивает высокую стабильность при различных температурах применения [8]. Среди всех материалов с низкими потерями и средней диэлектрической проницаемостью титанат магния со структурой ильменита (MgTiO3) является одним из известных кандидатов в промышленности [9, 10]. Благодаря низким диэлектрическим потерям керамика MgTiO3 нашла широкое применение в диэлектрических компонентах, таких как фазовращатели, перестраиваемые фильтры, антенны и стабилизаторы частотных колебаний для связи на СВЧ-диапазоне [11, 12]. Как правило, керамика MgTiO3 обладает хорошими диэлектрическими характеристиками со значением εr около 17 и Q·f около 160 000 ГГц (на 7 ГГц) [13]. Однако значение τf чистой керамики MgTiO3 составляет примерно −50 ppm/°C, что не подходит для таких устройств. Для получения диэлектрических материалов с близким к нулю значением τf обычно применяются подходы, заключающиеся в объединении двух или более материалов с противоположными значениями τf для образования твердого раствора или смешанных фаз [14–16]. Таким образом, компоновка MgTiO3 с другими соединениями с положительным значением τf считается наиболее реальным способом получения желаемых высокоэффективных микроволновых диэлектрических материалов на основе MgTiO3 с близким к нулю значением τf. В литературе CaTiO3 со структурой перовскита (εr = 170, Q·f = 3600 ГГц и τf = 800 ppm/°C) и SrTiO3 (εr=290, Q·f=4800 ГГц и τf=1700 ppm/°C) обычно вводят в микроволновую диэлектрическую керамику из-за высоких положительных значений τf [17–20]. Для приготовления микроволновой диэлектрической керамики на основе MgTiO3 Huang et al. [21] указали, что при соотношении Mg:Ca=95:5 полученное 0,95MgTiO3–0,05CaTiO3 керамика имела близкое к нулю значение τf с εr = 20–21 и Q·f = ~ 56000 ГГц (на 7 ГГц).

Также в 2004 г. сообщалось, что керамика 0,964MgTiO3–0,036SrTiO3 показала превосходные диэлектрические характеристики с εr=20,76, Q·f=71000 ГГц и τf=-1,27 ppm/°C [22]. Из-за схожей структуры перовскита между SrTiO3 и CaTiO3 было показано, что твердый раствор CaxSr1-xTiO3, такой как Ca0,8Sr0,2TiO3 и Ca0,5Sr0,5TiO3, также будет демонстрировать хорошие диэлектрические свойства [23]. Поэтому позже в работе Pan et al. [24] в MgTiO3 был добавлен Ca0,8Sr0,2TiO3 (εr=180, Q·f=8300 ГГц и τf=990 ppm/°C) для получения серии (1 − x)MgTiO3–xCa0,8Sr0,2TiO3. керамики, оптимизировав, чтобы керамика 0,94MgTiO3–0,06Ca0,8Sr0,2TiO3 обладала прекрасным сочетанием микроволновых диэлектрических свойств: εr = ~ 21,9, Q·f = ~ 128000 ГГц и τf = ~ 0,7 ppm/°C. А Чжан и др. [25] показали, что после легирования Ca0,8Sr0,2TiO3 полученная керамика 0,78MgTiO3–0,22Ca0,8Sr0,2TiO3 может обеспечить сочетание диэлектрических свойств εr=20,25, Q·f=74 200 ГГц и τf=- 1,28 частей на миллион/°С. Кроме того, известно, что Ca0,5Sr0,5TiO3 (εr=240 и Q·f=4100 ГГц) обладает более высоким значением εr, чем Ca0,8Sr0,2TiO3 [23], и его температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (τε) уменьшается с ростом увеличение значения εr [26]. Поскольку τf ≈ − (1/2)τε, значение τf диэлектрического материала будет увеличиваться с увеличением εr [26–28]. Другими словами, Ca0,5Sr0,5TiO3 также должен иметь более высокое значение τf, чем Ca0,8Sr0,2TiO3. Следовательно, Ca0,5Sr0,5TiO3 будет лучшим выбором для объединения с MgTiO3 для получения желаемых высокоэффективных микроволновых диэлектрических материалов с близким к нулю значением τf. Ожидается, что за счет легирования меньшего количества вторичной фазы Ca0,5Sr0,5TiO3 такая комбинация позволит получить диэлектрический керамический композит на основе MgTiO3 с близким к нулю τf, высоким εr и даже высоким значением Q·f. Однако, насколько нам известно, о работах по приготовлению диэлектрической керамики MgTiO3 для микроволнового излучения, легированной Ca0,5Sr0,5TiO3, не сообщалось. В данной работе было разработано различное количество Ca0,5Sr0,5TiO3 для добавления в матрицу MgTiO3 для получения серии композитной керамики, которая имела номинальный состав (1−x)MgTiO3–xCa0,5Sr0,5TiO3 ((1−x)MT–xCST, где x=0,035–0,045 с шагом 0,025). Образцы были приготовлены методом твердофазного спекания с использованием предварительно синтезированных ультрадисперсных порошков MgTiO3 и (Ca0,5Sr0,5)TiO3 по реакции расплава солей. Синтез расплавленной соли был принят, потому что он мог приготовить сверхтонкие порошки для облегчения спекания конечной композитной керамики [29]. Систематически исследованы микроструктура и микроволновые диэлектрические свойства полученной керамики. Как и ожидалось, температуростойкая микроволновая диэлектрическая керамика с высокими значениями Q·f и умеренными значениями εr была получена за счет корректировки значения x. Такая керамика может быть хорошим кандидатом для высокоэффективных микроволновых диэлектрических устройств.
………
Выводы
Новую композиционную керамику (1 − x)MgTiO3–xCa0,5Sr0,5TiO3 (x = 0,035–0,045) получали методом твердофазного спекания с использованием предварительно синтезированных ультратонких порошков MgTiO3 и (Ca0,5Sr0,5)TiO3 методом расплавления - солевая реакция. Исследованы микроструктура и микроволновые диэлектрические свойства полученных образцов. Вся полученная композиционная керамика состоит из основной фазы ильменита MgTiO3 и второстепенной фазы перовскита Ca0,5Sr0,5TiO3. Добавление Ca0,5Sr0,5TiO3 привело бы к уменьшению размера зерен фазы MgTiO3 в образцах. Уплотнение образцов сначала увеличивалось, а затем уменьшалось при увеличении значения x от 0,035 до 0,045. При x=0,04 керамика 0,96MgTiO3–0,04(Ca0,5Sr0,5)TiO3, спеченная при 1275 °C в течение 4 ч, имеет превосходные микроволновые диэлектрические свойства: εr=20,57, Q·f=58000 ГГц и τf=-1,16. частей на миллион/°C.