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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

本课题旨在采用高温固相反应法制备出具有高介电常数、低介质损耗、热稳定性好的ba(zn1/3nb2/3)o3微波介质陶瓷，通过xrd、sem、洛氏硬度仪、阻抗分析仪等分析其晶体结构，显微形貌和微波介电性能来研究制备工艺（包括粉体粒度、烧结温度、烧结时间和退火温度）对陶瓷材料的结构、显微形貌、硬度、微波介电性能的影响。

微波介质陶瓷是应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，表征微波介质陶瓷介电性能的主要特性参数有介电常数_r、品质因数或损耗角正切（_tan）、谐振频率温度系数_f。微波介质陶瓷的相对介电常数与材料所表现出来的许多物理现象如原子尺寸的极化率到宏观的极化和电容等都有很密切的关系，为了实现微波设备的小型化，要求微波介质陶瓷具有高的相对介电常数。微波介质材料的_r主要取决于材料结构中的晶相和制备工艺，要使微波介质陶瓷有较高的_r，除了从组成上考虑微观的晶相类型及结构外，还要在工艺上使晶粒生长充分，结构致密，从而提高_r值。在微波范围内，微波介质陶瓷的_r和乘积基本保持不变，品质因数是微波系统中对能量损耗的一个量度。为了减小材料_tan的或增大值，必须使衰减常数尽可能小，在完整的晶体中，取决于点阵振动的非谐和项在多晶陶瓷中，晶粒间界、杂质和缺陷成为增大的主要原因。因此，在微波介质陶瓷的制造中，必须尽可能使用高纯原料，并通过控制工艺以制造出杂质少、缺陷少且晶粒分布均匀的陶瓷。

国内外研究现状

微波介质陶瓷是近十余年才迅速发展起来的一类新型功能电子陶瓷。以其优异的微波介电性质在微波电路系统中发挥着介质隔离,介质波导以及介质谐振等一系列电路功能,并正在为微波电路的小型化,集成化,高品质化作出重要贡献。尽管早在1920年, lord rayleigh, sommerfeld, bose和debye等著名科学家就致力于电磁波在介质媒体中传播的研究,并发现介质结构能传导电磁波。而在southworth于1935年8月23日获得的美国专利“导波的传输”中更明确指出金红石介质陶瓷材料是一种特殊的介质波导的主要组件；1939 年richitmyer从理论上证明了电介质在微波电路中用作介质谐振器的可能性。但由于当时的陶瓷电介质尚不能满足微波电路的要求限制了这一发展，直到70 年代初美国的bryan等首先研制成介电常数为38的bati2o9材料，接着美国bell实验室研制成功了温度稳定性更好的ba2ti9o20，实现了介质谐振器的实用化，此后mgtio3-catio3、abo3复合钙钛矿、铅基复合钙钛矿、(zr，sn)tio4、bao-tio2系列和低温烧结系列的介质陶瓷被相继开发出来。移动通信系统的核心是介质谐振器型滤波器。介质谐振滤波器是利用电磁波在高介电常数的介质里传播时波长可以缩短的特点构成的微波谐振器，制造这些滤波器的关键是制作介电常数大、品质因数高、频率温度系数小且尺寸精确的谐振子。介质谐振器一般由介电常数比空气介电常数高20-100倍的陶瓷构成，利用高介电常数的陶瓷材料制作的介质滤波器的体积和质量是传统金属空腔谐振器的千分之一，而且频率越高，介质谐振器的尺寸可以越小，陶瓷介质谐振器、滤波器重量轻、体积小，是移动通信设备中不可缺少的重要器件，大量用于手持机中。因此，随着移动通信向高频化发展，陶瓷介质谐振器型滤波器必将占据重要地位，成为现代微波通信技术中不可缺少的电子元器件。此外，汽车用无线电话、便携式移动通信设备、微波中继站以及全球卫星通信系统的集成化、微型化，都对微波介质陶瓷材料的发展提出了更高的要求：即要求相对高的介电常数，温度稳定性好，且在微波频段介质损耗_tan小、品质因数高的微波介质陶瓷材料。

目前国内外的研究工作主要在探索新型复合钙钛矿微波介质陶瓷体系和通过对已有的体系进行掺杂来研究a位异价离子置换对b位离子有序、有序一无序转变温度以及有序畴影响及性能的改变。对a(b_1/3b_2/3)o₃复合钙钛矿化合物的研究始于上世纪七十年代末八十年代初，a(b_1/3b_2/3)o₃陶瓷材料离子半径较大的a² 离子与o^2-离子联合形成立方密堆积结构，而尺寸较小的b² 和b⁵ 离子则在八面体间隙中。当b及b位离子的电荷与半径差别很大，b和b则倾向于在晶体的[111]方向有序化排列，从而使晶体结构从无序时的立方型转变成六方型有序超结构。一股认为a(b_1/3b_2/3)o₃系陶瓷的有序结构导致这种材料在很高的微波频率下具有极低的介质损耗.美、日等国先后开发出一系列具有较高介电常数，高的品质因数及优良的温度稳定性的材料。目前现有的ba(mg_1/3ta_2/3)0₃ (bmt)陶瓷是本阶段在x，k波段值最高的一种材料，是中低类微波介质陶瓷材料的优秀典型代表，也是目前卫星通讯等微波高频领域所用的主要介质陶瓷材料，当前对该材料的研究应用主要存在如下两个方面的问题:一是bmt材料不易烧结，往往需要1600℃以上的烧结温度以及16h以上的保温时间才能达到该材料可实用化的烧结密度以及去除掉不利于微波介电性能的副产物相，因而严重制约了该材料的大规模生产与片式化器件应用;其二则是目前有关bmt材料值的报道极不统一，qf从1.04 * l 04ghz到8.8 * 105ghz相差有近90倍之多，如此大的差异难以为该材料的商业化生产及应用制定出统一的标准；ba(zn_1/3nb_2/3)o₃ (bzn)陶瓷被认为是具有钙钛矿立方结构，由onoda等人报道说bzn体系具有很好的微波介电性能：_r=41,=5600 (10ghz),_f= 28 ppm/℃。 kim等人也制得了高值的bzn陶瓷，但在高于1350℃烧结温度时在bzn陶瓷的晶界处观察到了液相。液相的出现被认为是由于锻烧粉体的化学成分不均匀性而产生的富nb相。由于二次相的存在，导致陶瓷晶粒异常长大，同时zn/nb=1:2的有序性也消失。因此采用传统的固相法很难合成纯单相的bzn陶瓷；bati₄o₉ (bt4)陶瓷具有优良的微波介电性能。然而，以前的研究者指出采用传统固相法不能够在低于1300℃下得到纯单相的bt4陶瓷。但是高的烧结温度不仅会增大生产成本，而且还会由于ti⁴ 向ti³ 的转变引起成分结构波动导致介电性能的严重降低。

2. 研究的基本内容

瓷1、陶瓷材料制备：采用CaCO3、ZnO2、Nb2O5为原料制备微波介质陶瓷，探索烧结条件，研究烧结工艺（烧结温度、烧结时间、退火温度、退火时间）对材料微观结构、显微形貌、微波介电性能的影响

2、性能测试：借助XRD、SEM、洛氏硬度仪、阻抗分析仪与网络分析仪等，研究Ba(Zn1/3Nb2/3)O3及制备工艺对陶瓷材料的结构、显微形貌、硬度、微波介电性能的影响

	T1/℃	T2/℃
方案一	1370	1100
方案二	1400	1100
方案三	1425	1100
方案四	1450	1100
方案五	1370	1150
方案六	1400	1150
方案七	1425	1150
方案八	1450	1150

3. 实施方案、进度安排及预期效果

2019.3.1-2019.3.5：进行文献调研，了解目前国内外复合钙钛矿微波介质陶瓷的研究进展；准备实验所需的各种原料和试剂。

2019.3.6-2019.3.31：利用两段式烧结法，制备ba(zn1/3nb2/3)o3复合钙钛矿陶瓷，详细记录制备过程中的工艺参数，研究烧结工艺对复合钙钛矿陶瓷烧结特性的影响，寻求最佳烧结温度范围；对制备所得样品进行微波介电性能，电阻率，密度测试，研究离子种类与浓度，烧结温度对微波介电性能的影响，寻求离子取代与介电性能之间的关系。

2019.3.31-2019.4.10：对温度稳定性良好的陶瓷试样，进行xrd以及sem结构表征，探讨成分、结构与介电性能之间的关系。

4. 参考文献

[1]. bosman a， havinga e. temperature dependence of dielectric constants of cubic ionic compounds. phys rev， 1963， 129(4):1593-1600.

[2]. colla e， reaney im， setter n. effect of structure changes in complex perovskites on the temperature coefficient of the relative permittivity. j appl phys， 1993， 74 (5):3414-3425.

[3]. reaney im， colla e， setter n. dielectric and structural characteristics of ba- and sr-based complex perovskites as a function of tolerance factor. jpn j appl phys， 1994， 33 (7a):3984-3990.