BaZr0.25Ti0.75O3－BaMg6Ti6O19－MgO 的介电性能

江铭波，贺 华

（湖北工业大学理学院，湖北 武汉430068）

电控微波调谐材料在调谐滤波器、移相器和相控阵天线等方面要求具有高的调谐率、低的损耗率和合适的介电常数。介电常数大的铁电材料通常也有高的介电损耗，通过添加低损耗的介电材料可以有效降低铁电材料的高损耗率和介电常数，但相应地也降低了调谐率。此外较大的介电常数也会有阻抗匹配的问题。Ba（ZrxTi1－x）O3有很高的调谐率，而且在化学上Zr4＋也比Ti4＋更加稳定，这些优点使它成为近来研究很广泛的备选铁电材料［1－3］。为降低铁电材料的介电常数，以往研究表明加入非铁电的MgO，MgTiO3，Mg2TiO4，Mg2SiO4，Mg3B2O6等低损耗材料与铁电材料形成铁电－介电复合物时，可以有效降低铁电材料的介电常数和介电损耗而保持较高的调谐率，其中以MgO的综合性能较好。但是，形成铁电－介电复合物在降低介电常数的同时，通常伴随着调谐率的降低，对微波调谐应用不利。因为降低介电常数必须增加介电材料的含量，会导致铁电性的稀释［4］。例如，当 MgO质量分数从10% 增加到60%时，Ba0.6Sr0.4TiO3－MgO 的介电常数从1 431下降到118，同时2kV/mm下的调谐率从16.6%下降到10%［2］。Jayanthi等的报告指出BaMg6Ti6O19的介电常数在2GHz时ε39，品质因数Q ≥10 000［5］。上述表明 MgO 和 BaMg6Ti6O19都是能够制备所需复合材料的可选介电材料。三元复合是制备的一种常见方案，徐业彬教授等研究发现在BST-MgO-Mg2SiO4复合材料中有调谐率异常增加现象［6］。

本 文 主 要 研 究 了 BaZr0.25Ti0.75O3（BZT25）-BaMg6Ti6O19（BMTO）-MgO三元复合材料的介电和调谐性能，通过不同的组分配比制备，根据XRD图样分析晶体结构和形成原因。发现其中一组调谐率在2.5kV/mm和1MHz测量时可达32%，同时介电常数约为200，介电损耗约为0.004。这表明它是一种可用于微波调谐且很有应用前景的复合材料。

1 实验过程

实验所用原料有 BaCO3，TiO2，ZrO2，MgO 和Mg2TiO4，先将BaCO3，TiO2和ZrO2按一定化学组分比混合以制备 BaZr0.25Ti0.75O3，混合后加去离子水并球磨6h，然后在1 200℃预烧2h。再根据质量分数式50%（xMgO-（1-x）Mg2TiO4）-50%Ba-Zr0.25Ti0.75O3（x ＝60，70，80和90%）混合后球磨6 h，然后烘干并过筛，在150MPa下压片，之后在1 350～1 410℃烧结3h。

样品的晶相结构用X射线衍射仪进行分析，材料的介电性能用LCR meter（TH2816a）来测量。

2 结果和讨论

图1是烧结温度为1 390°C 时BaZr0.25Ti0.75O3－BaMg6Ti6O19－MgO三相复合陶瓷的XRD谱图可见样品陶瓷中只存在钙钛矿结构的BaZr0.25Ti0.75O3、立方相的MgO和六方相的BaMg6Ti6O19三相，没有检测出其他杂质峰。这说明在烧结过程中，Ba-Zr0.25Ti0.75O3和 Mg2TiO4发生反应，生成 BaMg6Ti6O19，并且 Mg2TiO4反应完。其反应式是:4BaZr0.25Ti0.75O3＋21Mg2TiO4＝4BaMg6Ti6O19＋ 18MgO＋ZrO2，而在XRD图谱中并没有检验出ZrO2物相，原因可能是在混合物中ZrO2的含量非常低。例如初始混合物为30g，xMgO-（1-x）Mg2TiO4中x＝60%时，Mg2TiO4质量为6g，按反应式得到ZrO2的质量为0.468g，在混合物中约为1.6%，这是样品中含量最高的数值，但在混合物中含量仍然偏低。随着Mg2TiO4含量降低，生成的BaMg6Ti6O19含量也在降低，在x＝90%时，BaMg6Ti6O19的衍射强度变得很小。

图1 烧结温度为1 390℃复合陶瓷XRD图谱

图2 室温1MHz复合陶瓷调谐度，烧结温度是1390℃，x为制备材料MgO质量分数

调谐率

式中:ε（0）为外加电场为零时的介电常数，ε（E）为外加电场为E时的介电常数。在x＝60%时所制得的复合陶瓷调谐率最高，在场强为2.5kV/mm时可达32%，且随着x升高，其调谐率变化并不一致，在70%时降低，而80%时又升高并且很接近60%时情况，而在90%时又降到最低。这可能归因于制备过程发生的反应，Mg2TiO4反应之后得到 MgO和BaMg6Ti6O19，而MgO在原材料也含有，三者组分比不在同一基准，因此没有表现一般规律性。比较70%和80%两种情况，此时MgO含量即便是反应后也是明显增加，但调谐率也异常增加，正如文献［6］所观察的一样。

图3显示了介电常数和介电损耗随偏置电压变化的结果，可以看到样品介电常数约从200降低到140，随着电压从0增加到25kV/cm。介电损耗大致是随着偏置电压的增加而降低，从电压较低对应的0.005降低到电压较高对应的0.003，最后又升高到0.004。总体而言介电损耗变化不大，而且总量较低。

图3

根据多模式极化模型［7］，

式中，E为外加的偏置电场，α是非谐因子，用来衡量Ti离子之间的非谐性相互作用的程度，定义αε（0）3为场系数，表示材料介电非线性的强度，χ＝P0V/（kBT），P0表示单个极性团簇的极化强度，V表示单个极性团簇的体积，kB为波尔兹曼常数，T为温度。利用式（2）拟合，对w（x）＝60%组合，后一项贡献约为25，占整个极化贡献约12.5%。

3 结论

可由 Mg2TiO4/MgO/BaZr0.25Ti0.75O3混 合 物按一 定 比 例 烧 结 得 到 BaZr0.25Ti0.75O3－BaMg6Ti6O19－MgO复合陶瓷，其中MgO含量约从70%变化到80%时，复合陶瓷的调谐率有异常增加现象。

按w （Mg2TiO4）w （MgO）w （BaZr0.25Ti0.75O3）＝3∶2∶5烧结制得 的 BaZr0.25Ti0.75O3－BaMg6Ti6O19－MgO复合陶瓷在室温下测量介电常数约为200，损耗率约为0.004，在2.5kV/mm和1 MHz下测量调谐率为32%，可以很好地应用于要求较小介电常数的微波调谐电路和器件制作。

感谢华中科技大学分析测试中心的XRD分析测试。

［1］ Babbitt R W，Koscica T E，Drach W C.Planar microwave electro-optic phase shifters［J］.Microwave Journal.1992，35（05）:63.

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