鈮酸鹽微波介質(zhì)陶瓷材料概述

鄧雯　鄭浩天　劉柏良　劉勇男 劉明坤

摘? 要：鈮酸鹽微波介質(zhì)陶瓷材料在微波通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)述了微波介質(zhì)陶瓷材料的概念，發(fā)展歷程及其優(yōu)異性能，并對(duì)其中的鈮酸鹽微波介質(zhì)陶瓷材料進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。

關(guān)鍵詞：鈮酸鹽;微波介質(zhì)陶瓷材料;微波通信

一、研究背景

近年來(lái)，眾多微波介質(zhì)陶瓷材料由于具有優(yōu)異的低損耗特性，得以被大量研究并被廣泛應(yīng)用于微波通信技術(shù)領(lǐng)域。微波通訊是利用波長(zhǎng)在1～100mm范圍內(nèi)的微波進(jìn)行信息傳輸[1]，其本質(zhì)上也屬于一種電磁波。微波通信具有較高的傳輸可靠性以及較強(qiáng)的數(shù)據(jù)攜帶能力，最為我們所熟知的應(yīng)用領(lǐng)域是衛(wèi)星以及移動(dòng)通信等。

微波介質(zhì)陶瓷材料包括鈮酸鹽微波介質(zhì)陶瓷材料能被應(yīng)用在微波通信領(lǐng)域，都是因?yàn)檫@些材料除了其本身具備的力學(xué)性能和化學(xué)性能之外，還包括其在介電常數(shù)，介質(zhì)損耗以及諧振頻率溫度系數(shù)上所具備的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在制備成本上也具備簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)。

二、微波介質(zhì)陶瓷材料

2.1 微波介質(zhì)陶瓷材料的概述

陶瓷，是陶器和瓷器的總稱。陶器是由粘土或以粘土、長(zhǎng)石、石英等為主的混合物，經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度一般低于1200℃）而成的制品的總稱。而爐窯溫度達(dá)到1200℃以上時(shí)，能將金屬氧化物燒制成釉瓷，質(zhì)地比陶更為細(xì)膩、外觀更加美觀。從這個(gè)角度上講，陶瓷是指所有以黏土為主要原料與其他天然礦物原料經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)呐浔取⒎鬯?、成型并在高溫焙燒情況下經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)后，所形成的堅(jiān)硬物質(zhì)，這樣的陶瓷也被稱為是傳統(tǒng)陶瓷，如生活中常見的日用陶瓷制品等。廣義上的陶瓷概念是指用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無(wú)機(jī)非金屬固體材料和制品。如人工牙齒或骨骼材料，工程中的切削工具，耐磨軸承以及電子元器件等等。一般也把它們叫做功能陶瓷。而微波介質(zhì)陶瓷材料就屬于功能陶瓷的一種，屬于在微波通訊技術(shù)中實(shí)現(xiàn)豐富功能的關(guān)鍵材料。

2.2 微波陶瓷材料的發(fā)展歷史

介質(zhì)材料最初被發(fā)現(xiàn)在微波通訊中有著很高應(yīng)用價(jià)值是在1939年由Robert博士提出的[2]，并首創(chuàng)了介質(zhì)諧振器的概念。得益于較高的介電常數(shù)，介質(zhì)諧振器在小尺寸設(shè)計(jì)中較有優(yōu)勢(shì)，用于微波和毫米波頻段。但受限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平，并沒有得到太高的重視。直到1974年，BaTi4O9和Ba2Ti9O20被Masse和 O’Bryan等人研發(fā)出來(lái)[3， 4]，這種微波介質(zhì)陶瓷材料不僅具有較低的介質(zhì)損耗，而且具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，從而使得微波介質(zhì)陶瓷材料在微波通信技術(shù)領(lǐng)域得到真正的應(yīng)用成為了可能。但真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用是日本的村田公司開發(fā)的（Zr，Sn）TiO4 陶瓷[5]。

目前對(duì)于微波介質(zhì)陶瓷材料的研究，主要集中在介電常數(shù)的拓寬，介電損耗的降低以及材料溫度穩(wěn)定性的穩(wěn)固這三個(gè)方面。

2.3 影響微波介質(zhì)陶瓷材料性能的因素

電磁波的從真空中進(jìn)入電介質(zhì)中時(shí)，其波長(zhǎng)受介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)影響而發(fā)生的變化可以用如下公式描述：

介電材料對(duì)電磁波會(huì)產(chǎn)生聚集能力。其示意圖如下。

Lichteneker 等人從復(fù)合材料的角度研究了介電常數(shù)的復(fù)合規(guī)律，并提出了如下法則[1]

式中εr、vi 和εi 分別為多相復(fù)合陶瓷的介電常數(shù)、第i 種物相的相含量及第i 種物相對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)。因此微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)可以通過(guò)改變陶瓷材料的物相成分，及其所占的含量來(lái)進(jìn)行調(diào)控。而當(dāng)各個(gè)成分的元素類別以及成分比例已經(jīng)固定時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)、氣孔、晶粒和晶格缺陷會(huì)影響微波介質(zhì)陶瓷的介電性能。

（1）雜質(zhì)的影響。在陶瓷材料中，雜質(zhì)的存在一般會(huì)使得陶瓷體系的內(nèi)部電荷平衡遭到破壞，從而增加其電導(dǎo)損耗，最終導(dǎo)致介電性能減弱。

（2）晶格缺陷的影響。在材料學(xué)中，晶體的缺陷包括點(diǎn)缺陷，線缺陷以及面缺陷。其中點(diǎn)缺陷對(duì)于微波介質(zhì)陶瓷材料的影響較大，通常是由于離子摻雜引起的，這種影響機(jī)制與晶粒內(nèi)部雜質(zhì)對(duì)于陶瓷材料的影響是相似的。

（3）氣孔的影響。在陶瓷材料中，氣孔是不可避免的。陶瓷材料燒結(jié)越致密，其氣孔形狀越規(guī)則，晶粒形態(tài)越飽滿，則具有更好的介電性能。而殘留氣孔的數(shù)量越多、氣孔的大小越大，微波介質(zhì)陶瓷材料體系的相對(duì)介電常數(shù)也越差。同時(shí)氣孔的大量存在會(huì)增加材料的本征損耗，并且氣孔具有較低的熱穩(wěn)定性，在溫度變化時(shí)，摻雜的氣孔會(huì)降低了陶瓷材料的熱穩(wěn)定性。正是以上原因會(huì)使得微波介質(zhì)陶瓷材料的品質(zhì)因數(shù)以及諧振頻率溫度系數(shù)也會(huì)受到氣孔的影響。

（4）晶粒的影響。晶粒的大小越均勻、鑲嵌越緊密、致密性越好，這樣生長(zhǎng)形成的介質(zhì)材料性能越好。

三、鈮酸鹽微波介質(zhì)陶瓷材料

在眾多微波介質(zhì)陶瓷材料中，鈮酸鹽微波介質(zhì)材料由于具有優(yōu)異的低損耗特性而得到了廣泛的研究。

1994年，Baumgarte等人首次提出了一種 M2+M4+Nb2O8型微波介質(zhì)陶瓷材料。其屬于中頻微波介質(zhì)陶瓷材料，并具有優(yōu)異的低損耗微波介電性能。2000 年， M2+M4+Nb2O8型中的ZnTiNb2O8被Kim Dong-Wan 等人首次制備得到。2005 年，清華大學(xué)的張迎春教授，出版了《鈮鉭酸鹽微波介質(zhì)陶瓷材料》書籍[1]，對(duì)M2+Nb2O6型鈮酸鹽陶瓷材料進(jìn)行了詳細(xì)論述。M2+Nb2O6型介電材料大都具有鈮鐵礦結(jié)構(gòu)，其介電常數(shù)均在 20 左右，屬于中高頻微波介質(zhì)陶瓷材料。并且M2+的不同，其品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率溫度系數(shù)的差別也較大。

除上述兩種最為熱門的鈮酸鹽微波介質(zhì)陶瓷體系之外，（M1+）3NbO4[7]， RE3+M4+NbO6[8]以及（M2+）3Nb2O8[9]等也被大量研究和報(bào)道過(guò)。其中不乏高性能的鈮酸鹽陶瓷材料。

四、結(jié)論與展望

材料，能源和信息是現(xiàn)代人類文明的三大支柱，在微波通信技術(shù)不斷提高的同時(shí)，對(duì)于相應(yīng)的介質(zhì)陶瓷材料也在提出著更高的要求。本文簡(jiǎn)要介紹了微波介質(zhì)陶瓷材料的發(fā)展歷程，影響其性能的主要因素以及幾種典型的鈮酸鹽微波介質(zhì)陶瓷材料。其中對(duì)于鈮酸鹽微波介質(zhì)陶瓷材料的合成方法以及其性能的調(diào)控，本課題組將會(huì)進(jìn)行更深一步的研究。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉明坤，1992.-，男 漢族，吉林，理學(xué)博士，講師，研究方向：高壓下材料的相變研究，為本文通訊作者。