BaZr0.25Ti0.75O3－BaMg6Ti6O19－MgO 的介電性能

江銘波，賀 華

（湖北工業大學理學院，湖北 武漢430068）

電控微波調諧材料在調諧濾波器、移相器和相控陣天線等方面要求具有高的調諧率、低的損耗率和合適的介電常數。介電常數大的鐵電材料通常也有高的介電損耗，通過添加低損耗的介電材料可以有效降低鐵電材料的高損耗率和介電常數，但相應地也降低了調諧率。此外較大的介電常數也會有阻抗匹配的問題。Ba（ZrxTi1－x）O3有很高的調諧率，而且在化學上Zr4＋也比Ti4＋更加穩定，這些優點使它成為近來研究很廣泛的備選鐵電材料［1－3］。為降低鐵電材料的介電常數，以往研究表明加入非鐵電的MgO，MgTiO3，Mg2TiO4，Mg2SiO4，Mg3B2O6等低損耗材料與鐵電材料形成鐵電－介電復合物時，可以有效降低鐵電材料的介電常數和介電損耗而保持較高的調諧率，其中以MgO的綜合性能較好。但是，形成鐵電－介電復合物在降低介電常數的同時，通常伴隨著調諧率的降低，對微波調諧應用不利。因為降低介電常數必須增加介電材料的含量，會導致鐵電性的稀釋［4］。例如，當 MgO質量分數從10% 增加到60%時，Ba0.6Sr0.4TiO3－MgO 的介電常數從1 431下降到118，同時2kV/mm下的調諧率從16.6%下降到10%［2］。Jayanthi等的報告指出BaMg6Ti6O19的介電常數在2GHz時ε39，品質因數Q ≥10 000［5］。上述表明 MgO 和 BaMg6Ti6O19都是能夠制備所需復合材料的可選介電材料。三元復合是制備的一種常見方案，徐業彬教授等研究發現在BST-MgO-Mg2SiO4復合材料中有調諧率異常增加現象［6］。

本 文 主 要 研 究 了 BaZr0.25Ti0.75O3（BZT25）-BaMg6Ti6O19（BMTO）-MgO三元復合材料的介電和調諧性能，通過不同的組分配比制備，根據XRD圖樣分析晶體結構和形成原因。發現其中一組調諧率在2.5kV/mm和1MHz測量時可達32%，同時介電常數約為200，介電損耗約為0.004。這表明它是一種可用于微波調諧且很有應用前景的復合材料。

1 實驗過程

實驗所用原料有 BaCO3，TiO2，ZrO2，MgO 和Mg2TiO4，先將BaCO3，TiO2和ZrO2按一定化學組分比混合以制備 BaZr0.25Ti0.75O3，混合后加去離子水并球磨6h，然后在1 200℃預燒2h。再根據質量分數式50%（xMgO-（1-x）Mg2TiO4）-50%Ba-Zr0.25Ti0.75O3（x ＝60，70，80和90%）混合后球磨6 h，然后烘干并過篩，在150MPa下壓片，之后在1 350～1 410℃燒結3h。

樣品的晶相結構用X射線衍射儀進行分析，材料的介電性能用LCR meter（TH2816a）來測量。

2 結果和討論

圖1是燒結溫度為1 390°C 時BaZr0.25Ti0.75O3－BaMg6Ti6O19－MgO三相復合陶瓷的XRD譜圖可見樣品陶瓷中只存在鈣鈦礦結構的BaZr0.25Ti0.75O3、立方相的MgO和六方相的BaMg6Ti6O19三相，沒有檢測出其他雜質峰。這說明在燒結過程中，Ba-Zr0.25Ti0.75O3和 Mg2TiO4發生反應，生成 BaMg6Ti6O19，并且 Mg2TiO4反應完。其反應式是:4BaZr0.25Ti0.75O3＋21Mg2TiO4＝4BaMg6Ti6O19＋ 18MgO＋ZrO2，而在XRD圖譜中并沒有檢驗出ZrO2物相，原因可能是在混合物中ZrO2的含量非常低。例如初始混合物為30g，xMgO-（1-x）Mg2TiO4中x＝60%時，Mg2TiO4質量為6g，按反應式得到ZrO2的質量為0.468g，在混合物中約為1.6%，這是樣品中含量最高的數值，但在混合物中含量仍然偏低。隨著Mg2TiO4含量降低，生成的BaMg6Ti6O19含量也在降低，在x＝90%時，BaMg6Ti6O19的衍射強度變得很小。

圖1 燒結溫度為1 390℃復合陶瓷XRD圖譜

圖2 室溫1MHz復合陶瓷調諧度，燒結溫度是1390℃，x為制備材料MgO質量分數

調諧率

式中:ε（0）為外加電場為零時的介電常數，ε（E）為外加電場為E時的介電常數。在x＝60%時所制得的復合陶瓷調諧率最高，在場強為2.5kV/mm時可達32%，且隨著x升高，其調諧率變化并不一致，在70%時降低，而80%時又升高并且很接近60%時情況，而在90%時又降到最低。這可能歸因于制備過程發生的反應，Mg2TiO4反應之后得到 MgO和BaMg6Ti6O19，而MgO在原材料也含有，三者組分比不在同一基準，因此沒有表現一般規律性。比較70%和80%兩種情況，此時MgO含量即便是反應后也是明顯增加，但調諧率也異常增加，正如文獻［6］所觀察的一樣。

圖3顯示了介電常數和介電損耗隨偏置電壓變化的結果，可以看到樣品介電常數約從200降低到140，隨著電壓從0增加到25kV/cm。介電損耗大致是隨著偏置電壓的增加而降低，從電壓較低對應的0.005降低到電壓較高對應的0.003，最后又升高到0.004?？傮w而言介電損耗變化不大，而且總量較低。

圖3

根據多模式極化模型［7］，

式中，E為外加的偏置電場，α是非諧因子，用來衡量Ti離子之間的非諧性相互作用的程度，定義αε（0）3為場系數，表示材料介電非線性的強度，χ＝P0V/（kBT），P0表示單個極性團簇的極化強度，V表示單個極性團簇的體積，kB為波爾茲曼常數，T為溫度。利用式（2）擬合，對w（x）＝60%組合，后一項貢獻約為25，占整個極化貢獻約12.5%。

3 結論

可由 Mg2TiO4/MgO/BaZr0.25Ti0.75O3混 合 物按一 定 比 例 燒 結 得 到 BaZr0.25Ti0.75O3－BaMg6Ti6O19－MgO復合陶瓷，其中MgO含量約從70%變化到80%時，復合陶瓷的調諧率有異常增加現象。

按w （Mg2TiO4）w （MgO）w （BaZr0.25Ti0.75O3）＝3∶2∶5燒結制得 的 BaZr0.25Ti0.75O3－BaMg6Ti6O19－MgO復合陶瓷在室溫下測量介電常數約為200，損耗率約為0.004，在2.5kV/mm和1 MHz下測量調諧率為32%，可以很好地應用于要求較小介電常數的微波調諧電路和器件制作。

感謝華中科技大學分析測試中心的XRD分析測試。

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