微波陶瓷电介质研究现状
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微波介质陶瓷的研究现状
汇报人：XX
目录
一 定义
二 应用与性能
三 高电介质陶瓷发展
定义
微波：一般是指频率介于300MHz～300GHz,波长介于1m～1mm的电磁波。 在整个电磁波频谱中,微波处于超短波和红外波之间。与普通的无线电波相比,微 波的频率高,可用频带宽,信息容量大,可以实现多路通信;微波的波长很短,方向性 极强,很适合于雷达等发现和跟踪目标;微波能穿透高空的电离层,因而特别适用 于卫星通讯等。
微波介质陶瓷是近二十多年来发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。它是指应 用于微波频率电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，是制造 微波介质滤波器和谐振器的关键材料。
目录
一 定义
二 应用与性能
三 高电介质陶瓷发展
应用与性能
微波介质陶瓷应用范围广泛, 在微波电路中的应用主要有如下几个方面: 1、用作微波电路的介质基片 ,起着电路元器件及线路的承载、支撑 、绝缘的作用； 2、用作为微波电路的电容器 , 起着电路或元件之间的耦合及储能作用； 3、用作微波电路的介质天线, 起着集中吸收储存电磁波能量的作用；
4、用作微波电路的介质波导 , 起着引导电磁波沿一定方向传播的作用；
5、用作微波电路的介质谐振器件, 起着类似一般电子电路中LC谐振电路的作用。 一般说来,用于介电隔离和远距离电磁波传输的介质陶瓷必须具备非常高的品质因数和 较小的介电常数; 用于介电传导和谐振的材料则更加注重高介电常数及介电常数、品质因数和温度系数 三项指标的综合协调。
应用与性能
在低频电路中,元件参数(如电阻R、电感L、电容C等)基本上都集中在某些点，被称 为集中参数。实际上,元件间连线和导线也具有电阻、电感和电容值。它们沿导线 分布在电路的各个部分，成为分布参数。低频下分布参数比集中参数要小很多,通 常可以忽略不计，只考虑集中参数元件的作用。 要获得高频谐振电路，一般可以通过减小元件和导线尺寸来实现。但是，由于微 波的波长很短,可与元件尺寸比拟,容易发生电磁辐射。另一方面，一味减小尺寸不 但在技术上难以实现，还会使损耗增加、绝缘强度降低。所以，一般的LC谐振电 路不能在微波频段使用，而必须采用特殊的微波谐振电路 典型的微波电路由传输线和谐振器组成。传输线相当于低频电路中的导线，谐振 器则相当于低频电路中的谐振电路。从本质上讲,微波谐振器产生电磁振荡的过程 与低频LC谐振电路一样，都是电场能量与磁场能量相互转换的过程
应用与性能
• 波长与相对介电常数的平方根成反比,相对介电常数越高,波长就越短,相应的介 质谐振器的尺寸就越小 • 电磁场在空间中的分布是不均匀的,介电常数越高的区域积聚的电磁场能量越 多,从而减少了电磁波辐射产生的能量损耗。
高的介电常 数
高的品质因 数
• 品质因数Q是表征谐振器损耗的参量,定义为一个电磁场变化周期内,谐振器储存 能量与消耗能量之比的2π倍。 • 由于电磁场与声子发生耦合,部分电场能量将转化为热能,使器件温度升高,影响 性能稳定, 为了获得高品质的谐振器,必须降低材料的介质损耗
• 介质谐振器一般以某种振动模式的谐振频率作为中心频率。随着环境温度变化， 中心频率会发生漂移；如果频率随温度变化幅度过大，器件将无法正常工作。 接近零的谐
振频率
目录
一 定义
二 应用与性能
三 高电介质陶瓷发展
高介电常数陶瓷
高介电常数微波介质陶瓷的εr值通常大于80,目前已实用化的主要有3大系列 : BaO-Ln2O3-TiO2系列,复合钙钛矿CaO2 -Li2 O2 -Ln2 O3 及铅基钙钛矿系列。
高介电常数陶瓷
BLT系微波介质陶瓷的烧结温度普遍偏高,如何降低烧结温度使之能与适当的金属 电极形成温度的匹配,从而使电解质与导体共烧的多层微波介质谐振器结构得以 实现是目前研究的热点。 研究最多的是掺加适量的氧化物或低熔点玻璃相物质作为烧结助剂 湿化学如水热法、溶胶凝胶法、化学共沉淀法等制粉工艺和热压烧结技术 等改变传统的制备工艺,也用来降低BLT体系的烧结温度。
• 清华大学李龙土等采用柠檬酸盐溶胶凝胶法研究了Ba4 (Sm1- xNdx)9.3 Ti18O54体系 ,发现 样品在1100℃就形成了单一的钨青铜结构,相比传统固相法降低了约 100℃, 对样片的烧结行 为热力学分析发现 ,最大收缩率发生在 1300℃,这说明样品可以在此温度烧结成瓷 , 低于传统 固相法烧结温度。 • Nenasheva等采取化学共沉淀法研究了(PbxBa1- x ) ( B i yN d 2 - y) T i 4 O 12系陶瓷 ,体系 的介电常数达到 105 ～ 125, 同时具有较小的τ f和和tanδ 。
高介电常数陶瓷
复合钙钛矿CaO2-Li2 O2 -Ln2 O3 -TiO2 CaTiO3 材料在微波频率下具有高ε低Q值和较大的正τ f(τ r=170,Q·f=3500GHz τ f=+800 ×10- 6 /℃) ,而( Li1/2 Ln1/2 )TiO3 具有高εr和较大的负τ f ,CaO-Li2 O- Ln2 O3 TiO2 就是根据复合效应由2 者结合制备得到的。
目前研究开展较多的体系有CaO-Li2 O-Sm2O3 -TiO2 (简称CLST)体系与Nd部分 取代Sm的CaO-Li2 O-(SmxNd1-x) 2O 3-TiO2(简称CSLNT)体系。
获得高品质因 数 采用传统固相法两体系烧结温度均在1300℃以上
• 学者们采用取代等方式以企图获得高的品质因数。采用BaO部分取代CaO,显 着地提高Q·f值,同时介电常数仍保持在90以上。
如何降低体系 的烧结温度
用溶胶凝胶法合成了0.25CaTiO3 -0.75(Li1/2Nd1/4Sm1/4)TiO3 系陶 瓷 ,900℃下煅烧后的粉体即形成钙钛矿结构,1100℃时开始烧结,在 1200℃时
达到最大密度 ,颗粒大小均匀, 同时具有很好的介电性能。
高介电常数陶瓷
铅基钙钛矿系列
铅基钙钛矿系列是铅钙钛矿ABO3 结构中A位的Pb被置换成Ca而成的一系列陶瓷, 主要是指 (Pb 1-xCa x)ZrO3 、(Pb1-xCax) HfO3 、( Pb1-xCax)(Fe1/2 Nb1 /2 )O3、 (Pb1xCax)( Mg1 /3 Nb2/3 )O3 系材料这些陶瓷大多具有铁电性和反铁电性,本来是用 来制备多层电容器组件的。但它们在微波频率下同样具有良好的介电性能，打 破了铁电体和反铁电体不适宜制备高性能微波介电陶瓷材料的传统观念,从而拉 开了研究高介电常数Pb基钙钛矿系列的序幕。 目前国内对其开展研究的较多,主要是针对两方面进行: (1)进一步降低烧结温度,以期望达到与金属电极共烧; (2)降低其介质损耗,达到实用化。
汇报人：XX
目录
一 定义
二 应用与性能
三 高电介质陶瓷发展
定义
微波：一般是指频率介于300MHz～300GHz,波长介于1m～1mm的电磁波。 在整个电磁波频谱中,微波处于超短波和红外波之间。与普通的无线电波相比,微 波的频率高,可用频带宽,信息容量大,可以实现多路通信;微波的波长很短,方向性 极强,很适合于雷达等发现和跟踪目标;微波能穿透高空的电离层,因而特别适用 于卫星通讯等。
微波介质陶瓷是近二十多年来发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。它是指应 用于微波频率电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，是制造 微波介质滤波器和谐振器的关键材料。
目录
一 定义
二 应用与性能
三 高电介质陶瓷发展
应用与性能
微波介质陶瓷应用范围广泛, 在微波电路中的应用主要有如下几个方面: 1、用作微波电路的介质基片 ,起着电路元器件及线路的承载、支撑 、绝缘的作用； 2、用作为微波电路的电容器 , 起着电路或元件之间的耦合及储能作用； 3、用作微波电路的介质天线, 起着集中吸收储存电磁波能量的作用；
4、用作微波电路的介质波导 , 起着引导电磁波沿一定方向传播的作用；
5、用作微波电路的介质谐振器件, 起着类似一般电子电路中LC谐振电路的作用。 一般说来,用于介电隔离和远距离电磁波传输的介质陶瓷必须具备非常高的品质因数和 较小的介电常数; 用于介电传导和谐振的材料则更加注重高介电常数及介电常数、品质因数和温度系数 三项指标的综合协调。
应用与性能
在低频电路中,元件参数(如电阻R、电感L、电容C等)基本上都集中在某些点，被称 为集中参数。实际上,元件间连线和导线也具有电阻、电感和电容值。它们沿导线 分布在电路的各个部分，成为分布参数。低频下分布参数比集中参数要小很多,通 常可以忽略不计，只考虑集中参数元件的作用。 要获得高频谐振电路，一般可以通过减小元件和导线尺寸来实现。但是，由于微 波的波长很短,可与元件尺寸比拟,容易发生电磁辐射。另一方面，一味减小尺寸不 但在技术上难以实现，还会使损耗增加、绝缘强度降低。所以，一般的LC谐振电 路不能在微波频段使用，而必须采用特殊的微波谐振电路 典型的微波电路由传输线和谐振器组成。传输线相当于低频电路中的导线，谐振 器则相当于低频电路中的谐振电路。从本质上讲,微波谐振器产生电磁振荡的过程 与低频LC谐振电路一样，都是电场能量与磁场能量相互转换的过程
应用与性能
• 波长与相对介电常数的平方根成反比,相对介电常数越高,波长就越短,相应的介 质谐振器的尺寸就越小 • 电磁场在空间中的分布是不均匀的,介电常数越高的区域积聚的电磁场能量越 多,从而减少了电磁波辐射产生的能量损耗。
高的介电常 数
高的品质因 数
• 品质因数Q是表征谐振器损耗的参量,定义为一个电磁场变化周期内,谐振器储存 能量与消耗能量之比的2π倍。 • 由于电磁场与声子发生耦合,部分电场能量将转化为热能,使器件温度升高,影响 性能稳定, 为了获得高品质的谐振器,必须降低材料的介质损耗
• 介质谐振器一般以某种振动模式的谐振频率作为中心频率。随着环境温度变化， 中心频率会发生漂移；如果频率随温度变化幅度过大，器件将无法正常工作。 接近零的谐
振频率
目录
一 定义
二 应用与性能
三 高电介质陶瓷发展
高介电常数陶瓷
高介电常数微波介质陶瓷的εr值通常大于80,目前已实用化的主要有3大系列 : BaO-Ln2O3-TiO2系列,复合钙钛矿CaO2 -Li2 O2 -Ln2 O3 及铅基钙钛矿系列。
高介电常数陶瓷
BLT系微波介质陶瓷的烧结温度普遍偏高,如何降低烧结温度使之能与适当的金属 电极形成温度的匹配,从而使电解质与导体共烧的多层微波介质谐振器结构得以 实现是目前研究的热点。 研究最多的是掺加适量的氧化物或低熔点玻璃相物质作为烧结助剂 湿化学如水热法、溶胶凝胶法、化学共沉淀法等制粉工艺和热压烧结技术 等改变传统的制备工艺,也用来降低BLT体系的烧结温度。
• 清华大学李龙土等采用柠檬酸盐溶胶凝胶法研究了Ba4 (Sm1- xNdx)9.3 Ti18O54体系 ,发现 样品在1100℃就形成了单一的钨青铜结构,相比传统固相法降低了约 100℃, 对样片的烧结行 为热力学分析发现 ,最大收缩率发生在 1300℃,这说明样品可以在此温度烧结成瓷 , 低于传统 固相法烧结温度。 • Nenasheva等采取化学共沉淀法研究了(PbxBa1- x ) ( B i yN d 2 - y) T i 4 O 12系陶瓷 ,体系 的介电常数达到 105 ～ 125, 同时具有较小的τ f和和tanδ 。
高介电常数陶瓷
复合钙钛矿CaO2-Li2 O2 -Ln2 O3 -TiO2 CaTiO3 材料在微波频率下具有高ε低Q值和较大的正τ f(τ r=170,Q·f=3500GHz τ f=+800 ×10- 6 /℃) ,而( Li1/2 Ln1/2 )TiO3 具有高εr和较大的负τ f ,CaO-Li2 O- Ln2 O3 TiO2 就是根据复合效应由2 者结合制备得到的。
目前研究开展较多的体系有CaO-Li2 O-Sm2O3 -TiO2 (简称CLST)体系与Nd部分 取代Sm的CaO-Li2 O-(SmxNd1-x) 2O 3-TiO2(简称CSLNT)体系。
获得高品质因 数 采用传统固相法两体系烧结温度均在1300℃以上
• 学者们采用取代等方式以企图获得高的品质因数。采用BaO部分取代CaO,显 着地提高Q·f值,同时介电常数仍保持在90以上。
如何降低体系 的烧结温度
用溶胶凝胶法合成了0.25CaTiO3 -0.75(Li1/2Nd1/4Sm1/4)TiO3 系陶 瓷 ,900℃下煅烧后的粉体即形成钙钛矿结构,1100℃时开始烧结,在 1200℃时
达到最大密度 ,颗粒大小均匀, 同时具有很好的介电性能。
高介电常数陶瓷
铅基钙钛矿系列
铅基钙钛矿系列是铅钙钛矿ABO3 结构中A位的Pb被置换成Ca而成的一系列陶瓷, 主要是指 (Pb 1-xCa x)ZrO3 、(Pb1-xCax) HfO3 、( Pb1-xCax)(Fe1/2 Nb1 /2 )O3、 (Pb1xCax)( Mg1 /3 Nb2/3 )O3 系材料这些陶瓷大多具有铁电性和反铁电性,本来是用 来制备多层电容器组件的。但它们在微波频率下同样具有良好的介电性能，打 破了铁电体和反铁电体不适宜制备高性能微波介电陶瓷材料的传统观念,从而拉 开了研究高介电常数Pb基钙钛矿系列的序幕。 目前国内对其开展研究的较多,主要是针对两方面进行: (1)进一步降低烧结温度,以期望达到与金属电极共烧; (2)降低其介质损耗,达到实用化。