Для устранения нелинейного изменения резонансной частоты в системе MgTiO3-CaTiO3 в широком диапазоне температур (-40–105°C) разработана керамика системы MgTiO3-Li2TiO3 с многослойной архитектурой. Трехслойная керамика MgTiO3-Li2TiO3-MgTiO3 (соотношение масс=0,2:0,56:0,2), спеченная при 1275°С, обладает линейным и близким к нулю температурным коэффициентом резонансной частоты (τ f+=-3,0 м.д./°С (25–105°С). ), τ f-=2,7 ppm/°C (-40–25°C)). По сравнению с керамикой MgTiO3-Li2TiO3 со случайным распределением значение Q × f трехслойной керамики значительно улучшено (Q × f = 80 000 ГГц (при 7,6 ГГц)). Распределение электрического поля исследуется с помощью решателя собственных мод программного обеспечения High Frequency Structure Simulator для анализа влияния содержания Li2TiO3 и схемы наложения на диэлектрические свойства. Морфология поперечного сечения показывает плотный промежуточный слой, образованный диффузией ионов, который действует как клей для соединения каждого слоя. Эту работу можно рассматривать как новую стратегию разработки компонентов беспроводной связи 5G с линейной температурной зависимостью резонансной частоты (-40–105°C) и низкими диэлектрическими потерями.

Глобальный климат сложен. Зимние температуры могут опускаться до -40°C в некоторых высокоширотных регионах, а летние температуры могут превышать 45°C в некоторых африканских регионах, что приводит к повышению спроса на устойчивое к температуре оборудование связи [1,2]. Микроволновая диэлектрическая керамика (MWDC), краеугольный камень технологии связи пятого поколения (5G), считается критически важной для систем связи, отвечающих этому требованию. Однако исследования температурной стабильности резонансной частоты MWDC в основном были сосредоточены на области положительных температур, тогда как область отрицательных температур в значительной степени игнорировалась. Керамические системы MgTiO3, которые обладают выдающимися микроволновыми диэлектрическими свойствами, подходящей плотностью, обильным сырьем и низкими ценами (εr=17, Q × f=160 000 ГГц (при 7 ГГц) и ρ<3,6 г/см3), в основном могут удовлетворить потребности устройств 5G, за исключением значения τf, отклоняющегося от нуля (τf=-50 ppm/°C) [3–5]. В последнее время в керамике системы 0,95MgTiO3-0,05CaTiO3 применяли двухфазный композиционный метод, достигая близкого к нулю значения τ f (20–80°C) [6,7]. К сожалению, мало внимания уделяется стабильности в диапазоне отрицательных температур. В нашем исследовании нелинейная резонансная частота керамики 0,93MgTiO3-0,07CaTiO3 (МТ-КТ)
изменяется в зависимости от температуры, что приводит к субоптимальной температурной стабильности в широком диапазоне температур. Когда положительное значение τf (25–105°C) было настроено на ноль, отрицательное значение τf (-40–25°C) составляло примерно +20 ppm/°C в основном за счет температурной зависимости диэлектрической проницаемости система CaTiO3. Недавно Чжоу и соавт. добился замечательных успехов в низкотемпературной обожженной керамике Li2TiO3 и обнаружил, что диэлектрическая проницаемость системы Li2TiO3 плавно изменяется с температурой, что существенно отличается от системы CaTiO3 [8–10]. Для улучшения линейности резонансной частоты системы MgTiO3 в качестве добавки выбран Li2TiO3, а лучшая температурная стабильность достигается с помощью керамики системы MgTiO3-Li2TiO3. Традиционные случайно распределенные процессы неизбежно приводят к различным дефектам из-за возможной несовместимости между кристаллической структурой, ионным зарядом и ионным радиусом. Для уменьшения дефектов и возможных химических реакций предлагается многослойная керамика. Как правило, диэлектрические свойства связаны с содержанием Li2TiO3 и схемой укладки. С помощью симулятора высокочастотной структуры от компании Ansoft (ANSOFT HFSS) мы исследовали распределение электрического поля различных схем укладки и обнаружили, что средний слой играет важную роль в общей производительности.

Эта многослойная керамика с линейным температурным коэффициентом резонансной частоты в широком диапазоне температур и высоким значением Q × f может рассматриваться как новаторский материал для 5G. Порошки MgTiO3, Li2TiO3 и CaTiO3 (MT, LT и CT соответственно) были синтезированы по отдельности традиционным твердофазным методом из высокочистых порошков MgO (98%), Li2CO3 (98%) и TiO2 (99%). Порошки взвешивали в соответствии с желаемой стехиометрией на аналитических весах «1:120» (AW120; Shimadzu Corporation). Для достижения отличной характеристики согласования в направлении диаметра после совместного обжига при 1275°C порошки MgTiO3 и Li2TiO3 были прокалены при 1150°C и 800°C в течение 4 ч на воздухе соответственно. Кроме того, порошки CaTiO3 прокаливали при 1100°С в течение 4 ч на воздухе. На рис. 1 представлено графическое представление хаотически распределенных и слоистых процессов для керамики системы MgTiO3-Li2TiO3. Керамики MgTiO3-Li2TiO3-MgTiO3 (MLM), Li2TiO3-MgTiO3-Li2TiO3 (LML) и MgTiO3-Li2TiO3 (ML) с многослойной архитектурой были получены с помощью многослойного процесса. Прокаленные порошки MgTiO3 и Li2TiO3 растирали с 8 мас.% парафина в качестве связующего. На основе состава 0,4gMgTiO3-xgLi2TiO3 (x=0,5, 0,52, 0,54, 0,56, 0,58) два порошка поочередно добавляли в форму в трех видах порядка. MgTiO3-Li2TiO3 со случайным распределением (смешанный MT-LT) был синтезирован методом случайного распределения. Прокаленные порошки MgTiO3 и Li2TiO3 смешивали по массовой доле, а затем перемалывали в спирте в течение 1 ч. Кроме того, для сравнения была приготовлена керамика 0,93MgTiO3-0,07CaTiO3 методом случайного распределения. Прокаленные порошки MgTiO3 и CaTiO3 смешивали в соответствии с мольным соотношением, а затем повторно измельчали в деионизированной воде в течение 1 часа. После сушки смешанные порошки двух видов измельчали с 8 мас.% парафина в качестве связующего. Все образцы прессовали в таблетки диаметром 10 мм и толщиной 4–5 мм под давлением 4 МПа в течение 60 с, а затем спекали при 1275°С в течение 4 ч на воздухе. Скорость нагрева образцов составляла 5 °С/мин.
………………………
Микроволновые диэлектрические свойства типичных материалов системы MgO-TiO2 и системы Li2O-TiO2 приведены в таблице 2. Современная трехслойная керамика MLM явно обладает превосходными диэлектрическими свойствами. Кроме того, впервые была изучена и впервые зарегистрирована широкотемпературная стабильность материалов системы MgO-TiO2. Благодаря стабильности в широком диапазоне температур и превосходным микроволновым диэлектрическим свойствам результаты этого исследования могут быть применены для разработки компонентов беспроводной связи 5G. В данной работе в качестве матрицы был выбран MgTiO3, и была приготовлена керамика системы MgTiO3-Li2TiO3 со случайным типом распределения и многослойной архитектурой. При массовом соотношении MgTiO3:Li2TiO3=0,4:0,56 трехслойная керамика MgTiO3-Li2TiO3-MgTiO3 обладает превосходными свойствами: εr=21,2, Q × f=80 000 ГГц (при 7,6 ГГц) и τ f+=-3,0 ppm/°C. , τf-=2,7 м.д./°С. В отличие от случайного распределения типа MgTiO3-Li2TiO3 значение Q × f значительно улучшается примерно на 60%.