华中科技大学吕文中/雷文团队：发现反常温频特性低介微波材料

猜猜. 7年前 (2017-10-26) 6003浏览

【成果简介】

9月13日，吕文中教授和雷文副教授团队的研究论文以“Controllable τ_f value of barium silicate microwave dielectric ceramics with different Ba/Si ratios”为题在线刊发在J. Am. Ceram. Soc.上。雷文副教授为论文第一作者，吕文中教授和雷文副教授为共同通讯作者。至此，吕文中教授和雷文副教授团队关于低介微波介质陶瓷τf值的新型调控机制的构建与实现、反常温频特性材料的获取和调控效果的验证等系列成果，均发表在陶瓷学三大国际顶级期刊上。上述系列研究成果得到了国家自然科学基金面上项目（NSFC-51572093、51772107）资助，为研制高稳定性5G毫米波谐振器和滤波器等通信器件提供了重要的理论支持和材料保障。

【图文导读】

图1 在空气中，致密化温度下烧结3 h的Ba_{1 + 1 / M} [Si₂O_{5 + 1 / M}]陶瓷的XRD图

（a）M = 1，1200℃;

（b）M = 3，1300℃;

（c）M = 4，1200℃;

（d）M = 5，1250℃;

（e）M = 7，1200℃;

（f）M =∞，1250℃。

图2 Ba_{1 + 1 / M} [Si₂O_{5 + 1 / M}]陶瓷的ε_r和tanδ与温度的关系

（a）M = 4，在1200℃烧结;

（b）M = 5，在1200℃和1250℃下烧结。

【研究内容】

低介微波介质陶瓷是5G毫米波谐振器和滤波器等通信器件的关键材料，其τ_f值直接决定了通信器件在不同温度环境下收发信号的稳定性和可靠性，通常期望其值近零。但低介微波介质陶瓷的τ_f值通常为负值，且介电常数（ε_r）越小，τ_f值呈现出越负的趋势。为了获得近零的τ_f值，通常需要添加具有正τ_f值的Ti基（TiO₂、CaTiO₃和SrTiO₃）温频特性调控剂，但经常会遇到Ti⁴⁺离子变价时介质半导化或与基体材料反应而丧失调控能力等难题。为此，吕文中/雷文团队另辟蹊径，在低介Ba₂Zn_(1+x)Si₂O_(7+x)微波介质陶瓷中发现了罕见的弱铁电性现象（如图1）（Ceram. Int., 2016, 42: 16387-16391. 硕士生邹正雨为论文第一作者，雷文为论文通讯作者），通过控制Zn²⁺含量和Ba/Si比值达到了调控τf值的目的，并获得了具有反常温频特性的Ba₅Si₈O₂₁陶瓷（τ_f = +25ppm/°C），打破了ε_r值在8以下无正τ_f值材料的记录（J. Eur. Ceram. Soc., 2017, 37:3065-3071. 硕士生邹正雨和陈泽皓为论文共同第一作者，吕文中和雷文为论文共同通讯作者）（J. Am. Ceram. Soc., 2017, doi: 10.1111/jace.15205. 雷文副教授为论文第一作者，吕文中和雷文为共同通讯作者）。通过与BaAl₂Si₂O₈复合制备出近零τ_f值的低介微波介质陶瓷材料（Ceram. Int., 2017, 43: 14453-14456. 硕士生宋小强为论文第一作者，雷文为论文通讯作者），解决了BaAl₂Si₂O₈难用TiO₂调控的难题。