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摘 要

本实验采用的是固相反应法制备0.7[Sr_yCa_(1-y)]TiO₃ -0.3[Sm_xNd_(1-x)]AlO₃系列微波介质陶瓷，研究了不同掺杂比例对其性能的影响。

首先以Sm³ 取代Nd³ ，设计研究随着掺杂量的变化，所得陶瓷试样性能的变化情况，确定最佳介电性能时的x参数值；在优化x值的基础上，通过引入微量Sr² 取代Ca² ，探索并确定0.7[Sr_yCa_(1-y)]TiO₃ -0.3[Sm_xNd_(1-x)]AlO₃中y的参数值，以获得复合陶瓷体系的最佳组成配比。

采取多种手段测试并比较了在不同的掺杂量和烧成制度下，制备的陶瓷试样密度和气孔率，比较不同掺杂类型、掺杂量分别对试样介电常数、介电损耗及其温度系数的影响。对陶瓷煅烧合成试样进行了XRD相分析，确定其晶相组成；对烧结陶瓷体进行了SEM分析，观察其晶粒大小、分布、生长等情况。经实验研究表明，配比x=0.25和y=0.01，且烧成温度为1550℃时，所得陶瓷材料的介电性能最佳，其中微波介电常数ε_r=46.2，Q×f =42800GHz，τ_f≈0K^-1。以此为基础，当稳定组成为0.7[Sr_0.01Ca_0.99]TiO₃-0.3[Sm_0.25Nd_0.75]AlO₃，研究了不同的保温时间对陶瓷样品烧结与性能的影响。实验研究结果发现，1550℃时保温时间为4h时，所获得样品的介电性能最佳。

关键词：微波介质陶瓷 0.7CaTiO₃-0.3NdAlO₃ 介电常数 品质因数 谐振频率温度系数

Study on the composition and preparation of 4G high Q microwave medium

Abstract

0.7CaTiO₃-0.3NdAlO₃ microwave dielectric ceramics were prepared in the method of solid phase reaction. The performance of 0.7CaTiO₃-0.3NdAlO₃ microwave dielectric ceramics that doped with some certain elements were investigated in this experiment, and then obtains the optimum doping ratio. First, Sm³ is doped to replace Nd³ , and to determine the optimal x value; when x value determined, Sr² is doped to substituted Ca³ , value, to get the best proportion of y of 0.7[Sr_yCa_(1-y)]TiO₃-0.3[Sm_xNd _(1-x)]AlO₃. Comparison and test ceramic sample density, water absorption and porosityin different doping and sintering system, and the influence of the dielectric constant, dielectric loss and temperature coefficient of the sample is studied in this paper. XRD analysis of the ceramic samples was done to determine its crystal phase composition.The SEM analysis of the ceramic samples was carried out, and the grain growth of the samples was observed.The research shows that the simple ceramic of x value is 0.25 and y value is 0.01 sintered at 1550℃ exhibits the optimal dielectric properties:ε_r=46.2，Q×f =42800GHz，τ_f≈0.After that, the preparation of 0.7 [Sr0.01 Ca0.99] TiO3 0.3 [Sm0.25 Nd0.75] AlO3 ceramics, test the influence of different heat preservation time of ceramic samples.By the research, when the holding time is 4 h, the dielectric properties of the samples of the best.

Key word: microwave dielectric ceramics ;0.7CaTiO₃-0.3NdAlO₃ ; dielectric c

目录

摘要 I

Abstract II

第一章综述 1

1.1引言 1

1.2微波介电陶瓷的分类 2

1.2.1低ε_r和高Q值的微波介质陶瓷 2

1.2.2中等ε_r和Q值的微波介质陶瓷 3

1.2.3高等ε_r和低Q值的微波介质陶瓷 3

1.3MWDC的主要性能参数 3

1.3.1介电常数 3

1.3.2品质因数 4

1.3.3谐振频率温度系数 4

1.4CaTiO₃-NdAlO₃系列微波介质陶瓷的研究进展 5

1.4.1配方优化 6

1.4.2制备工艺 6

1.5微波介电陶瓷的发展趋势 7

1.5.1探索具有更优介电性能的材料体系 7

1.5.2 降低烧结温度 7

1.5.3 CaTiO₃-NdAlO₃系微波介质陶瓷材料的技术展望 8

1.6本课题研究的目的及意义 8

第二章实验内容 9

2.1实验原料与设备 9

2.1.1实验原料 9

2.1.2实验设备 9

2.2实验流程图 10

2.3试样制备 10

（一）CTNA中部分Nd³ 由Sm³ 替代 10

2.3.1配料 10

2.3.2混料 11

2.3.3预烧 11

2.3.4湿磨 11

2.3.5成型 11

2.3.6烧成 12

（二）CTNA中部分Ca² 由Sr² 替代 12

2.4试样的测试与分析 12

2.4.1烧结性能的测试 12

2.4.2介电性能测试 13

2.4.3 X射线衍射分析（XRD） 14

2.4.4扫描电镜分析（SEM） 14

第三章结果与讨论 16

3.1CTNA中部分Nd³ 由Sm³ 替代 16

3.1.1 XRD分析 16

3.1.2 SEM分析 17

3.1.3不同Sm³ 含量烧成试样与其密度的关系 17

3.1.4不同Sm³ 含量烧成试样与其介电性能参数的关系 18

3.2CTNA中部分Ca² 由Sr² 替代 20

3.2.1不同Sr² 含量烧成试样与其密度的关系 21

3.2.2 SEM分析 22

3.2.2不同Sr² 含量烧成试样与相对密度、表观气孔率的关系 23

3.2.3不同Sr² 含量CTNA陶瓷样品与介电性能参数的关系 23

3.3不同保温时间对0.7[Sr_0.01Ca_0.99]TiO₃-0.3[Sm_0.25Nd_0.75]AlO₃陶瓷试样性能的影响 24

第四章仿真模拟设计 28

4.1仿真模拟原理 28

4.2仿真模拟操作及结果 28

第五章结论 32

参考文献 33

致谢 34

4G高Q微波介质组成与制备工艺研究

第一章综述

1.1引言

微波介质陶瓷也即微波介电陶瓷（MWDC），是随近代通讯技术等的迅速发展而发展起来的一类新型陶瓷材料。微波介质陶瓷是运用微波频段的电路中（一般是290MHz-31GHz范围），往往作为介质类的材料从而实现一种或着多种功能的陶瓷。在现代的社会中，现代通信技术非常关键，而微波介质陶瓷可以很好地补充这一块领域，并广泛运用。

早在1939年，Richtmyer^[1]在理论上证明了电介质在微波电路中可以作为谐振器的可能性，但是由于当时的技术还不够以及我们认识程度有限，这就限制了它的发展。直到上世纪60年代，通过高介电常数和低损耗的TiO₂单晶（金红石相）人们才开始逐渐制作出了小型化的微波介质滤波器^[2]，但因为TiO₂的谐振频率温度系数非常大，还不能满足我们应用的要求。但是以TiO₂为开端，微波介质陶瓷在之后的几十年中的发展十分迅速。

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