Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния
Изучено влияние частичного замещения магния кобальтом на микроструктуру и электрофизические свойства материалов на основе титанатов магния MgTiO₃ и Mg₂TiO₄. Показано, что присутствие дополнительных фаз ухудшает диэлектрические свойства исследованных материалов. Наиболее высокие значения электрическо...
Gespeichert in:
| Datum: | 2006 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
2006
|
| Schriftenreihe: | Украинский химический журнал |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/185087 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния / Д.А. Дурилин, О.В. Овчар, А.Г. Белоус // Украинский химический журнал. — 2006. — Т. 72, № 1. — С. 34-36. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-185087 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1850872022-09-01T01:26:25Z Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния Дурилин, Д.А. Овчар, О.В. Белоус А.Г. Неорганическая и физическая химия Изучено влияние частичного замещения магния кобальтом на микроструктуру и электрофизические свойства материалов на основе титанатов магния MgTiO₃ и Mg₂TiO₄. Показано, что присутствие дополнительных фаз ухудшает диэлектрические свойства исследованных материалов. Наиболее высокие значения электрической добротности были получены в термостабильных композиционных диэлектриках на основе твердых растворов Mg2–2хCo2хTiO4. Вивчено вплив часткового заміщення магнію кобальтом на мікроструктуру та електрофізичні властивості матеріалів на основі титанатів магнію MgTiO₃ та Mg₂TiO₄. Показано, що наявність додатко вих фаз погіршує діелектричні властивості досліджених матеріалів. Найбільш високі значення електричної добротності були отримані в термостабільних композиційних діелектриках на основі твердих розчинів Mg2–2хCo2хTiO4. The effect of partial cobalt substitution for magnesium in the materials based on magnesium titanates MgTiO₃ and Mg₂TiO₄ on their microstructure and electrophysical properties was studied. It has been shown that the presence of impurity phases worsens the dielectric properties of developed materials. The highest values of quality factor were obtained in the temperature stable composite dielectrics based on the solid solutions Mg2–2хCo2хTiO4. 2006 Article Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния / Д.А. Дурилин, О.В. Овчар, А.Г. Белоус // Украинский химический журнал. — 2006. — Т. 72, № 1. — С. 34-36. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0041–6045 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/185087 501.134.5-537 ru Украинский химический журнал Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Неорганическая и физическая химия Неорганическая и физическая химия |
| spellingShingle |
Неорганическая и физическая химия Неорганическая и физическая химия Дурилин, Д.А. Овчар, О.В. Белоус А.Г. Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния Украинский химический журнал |
| description |
Изучено влияние частичного замещения магния кобальтом на микроструктуру и электрофизические свойства материалов на основе титанатов магния MgTiO₃ и Mg₂TiO₄. Показано, что присутствие дополнительных фаз ухудшает диэлектрические свойства исследованных материалов. Наиболее высокие значения электрической добротности были получены в термостабильных композиционных диэлектриках на основе твердых растворов Mg2–2хCo2хTiO4. |
| format |
Article |
| author |
Дурилин, Д.А. Овчар, О.В. Белоус А.Г. |
| author_facet |
Дурилин, Д.А. Овчар, О.В. Белоус А.Г. |
| author_sort |
Дурилин, Д.А. |
| title |
Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния |
| title_short |
Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния |
| title_full |
Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния |
| title_fullStr |
Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния |
| title_full_unstemmed |
Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния |
| title_sort |
композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния |
| publisher |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Неорганическая и физическая химия |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/185087 |
| citation_txt |
Композиционные диэлектрические материалы на основе титанатов магния / Д.А. Дурилин, О.В. Овчар, А.Г. Белоус // Украинский химический журнал. — 2006. — Т. 72, № 1. — С. 34-36. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Украинский химический журнал |
| work_keys_str_mv |
AT durilinda kompozicionnyediélektričeskiematerialynaosnovetitanatovmagniâ AT ovčarov kompozicionnyediélektričeskiematerialynaosnovetitanatovmagniâ AT belousag kompozicionnyediélektričeskiematerialynaosnovetitanatovmagniâ |
| first_indexed |
2025-07-16T05:36:01Z |
| last_indexed |
2025-07-16T05:36:01Z |
| _version_ |
1837780604702162944 |
| fulltext |
УДК 501.134.5-537
Д.А. Дурилин, О.В. Овчар, А.Г. Белоус
КОМПОЗИЦИОННЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ТИТАНАТОВ МАГНИЯ
Изучено влияние частичного замещения магния кобальтом на микроструктуру и электрофизические свой-
ства материалов на основе титанатов магния MgTiO3 и Mg2TiO4. Показано, что присутствие дополнительных
фаз ухудшает диэлектрические свойства исследованных материалов. Наиболее высокие значения электричес-
кой добротности были получены в термостабильных композиционных диэлектриках на основе твердых рас-
творов Mg2–2хCo2хTiO4.
При разработке фильтрующих и генерирую-
щих узлов для современных средств связи тре-
буются материалы с низкими диэлектрическими
потерями в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапа-
зоне и высокой электрической добротностью
(Q=1/tgδ). Использование высокодобротных диэ-
лектриков в качестве пассивных компонентов
СВЧ — диэлектрических резонаторов, диэлек-
трических подложек, волноводов и антенн —–
позволяет значительно улучшить характеристики
аппаратуры связи [1, 2], в частности, повысить
ее чувствительность и избирательность.
В настоящее время известны композицион-
ные диэлектрические материалы, полученные на
основе соединений системы MgO—TiO2 [3–6].
В этой системе образуются два соединения, ха-
рактеризующиеся низкими диэлектрическими
потерями в СВЧ диапазоне — метатитанат маг-
ния (MgTiO3) и ортотитанат магния (Mg2TiO4).
На частоте 1010 Гц величина электрической доб-
ротности для поликристаллических MgTiO3 и
Mg2TiO4 составляет около 20000 (tgδ=5⋅10–5) [3,
7], что определяет возможность использования
этих соединений при разработке современных
СВЧ-компонентов. В то же время для компенса-
ции высоких значений температурного коэффи-
циента диэлектрической проницаемости (ТКε=
=80—100⋅10–6 К–1), характерных для MgTiO3 и
Mg2TiO4, в состав материала вводят добавки
Sr(Ca)TiO3, для которых ТКε ~ –2—4⋅10–4 К–1
[4—6]. Следует отметить, что созданные таким
образом композиционные материалы отличают-
ся более низкими величинами добротности (Q=
=3000—5000 на частоте 1010 Гц), что связано с
влиянием низкодобротной кристаллической
фазы Sr(Ca)TiO3, а также присутствием в ком-
позите примеси MgTi2O5 [3—5]. При частичном
замещении магния кобальтом в системе (1–х)
Mg0.95Co0.05TiO3—хCaTiO3 авторами работы [4]
были получены поликристаллические материа-
лы с величиной Q=7000—8000 на частоте 1010
Гц. Недавно нами было установлено положитель-
ное влияние добавок кобальта на диэлектричес-
кие характеристики композиционных материалов
на основе Mg2TiO4 [6, 7]. Однако причины увели-
чения добротности композитов на основе MgTiO3
и Mg2TiO4, наблюдаемого при замещении магния
кобальтом, пока исследованы недостаточно.
Поэтому целью данной работы было иссле-
дование влияния частичного замещения магния
кобальтом на фазовый состав, микроструктуру
и диэлектрические свойства композиционных
материалов систем 0.93[(1–x )MgTiO3—xCoTiO3]
—0.07CaTiO3, 0.93[(1–x )Mg2TiO4—xCo2TiO4]—
0.07CaTiO3.
Исследованные в работе материалы получа-
ли методом твердофазного синтеза, используя
в качестве исходных реагентов MgO (ч.д.а.), TiO2
(ос.ч.), CaCO3 (ч.д.а.), CoCO3 (ч.д.а.). Материалы
синтезировали в два этапа. Вначале получали би-
нарные соединения MgTiO3, CoTiO3, Mg2TiO4,
Co2TiO4, и CaTiO3. Для этого осуществляли го-
могенизирующий помол смесей исходных компо-
нентов в шаровой мельнице в бидистиллирован-
ной воде. Термообработку проводили в алундо-
вых тиглях в интервале температур 900—1200 oС
на воздухе. На втором этапе, для получения ком-
позиционных СВЧ-диэлектриков, проводили го-
могенизирующие помолы стехиометрических со-
отношений предварительно синтезированных би-
нарных соединений указанным выше способом.
Высушенную при 100—150 oС шихту прессовали
в заготовки диаметром 8—10 мм и толщиной
3—4 м и затем спекали в интервале температур
1300—1400 oС в течение 4 ч. Фазовый состав син-
тезированных соединений и материалов на их ос-
нове исследовали методом рентгенофазового
анализа (РФА) на дифрактометре ДРОН-3М
(CuKα-излучение). Микроструктуру поликрис-
таллических образцов изучали с помощью скани-
© Д.А. Дурилин, О.В. Овчар, А.Г. Белоус , 2006
34 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т. 72, № 1
рующего электронного микроскопа JEOL
JXA 840A, Tracor Series II, оборудованного
детектором EDS. Измерения диэлектри-
ческих СВЧ-характеристик проводили на
частоте 1010 Гц методом диэлектрическо-
го резонатора.
Согласно результатам РФА смесей
(1–х )MgTiO3—хCoTiO3 и (1–х )Mg2TiO4—
хCo2TiO4, после предварительной термо-
обработки в интервале температур 1300—
1400 oС во всем диапазоне изученных
концентраций кобальта (0≤х≤0.02) обра-
зуются твердые растворы со структурой
ильменита (Mg1–хCoхTiO3) и обратной
шпинели (Mg2–2хCo2хTiO4). Эти данные
подтверждаются результатами исследова-
ния микроструктуры поликристаллических
образцов данных систем. С увеличением
концентрации кобальта, независимо от ти-
па кристаллической структуры, объем эле-
ментарной ячейки изменяется незначите-
льно. При этом диэлектрическая проница-
емость (ε) поликристаллических материа-
лов составов (1–х )MgTiO3—хCoTiO3 и (1–х)Mg2-
TiO4—хCo2TiO4 также изменяется слабо в зави-
симости от концентрации кобальта (таблица).
Так, величина ε для твердых растворов Mg1–х-
CoхTiO3 изменяется в пределах 15—16, а для
Mg2–2хCo2хTiO4 составляет 13—14. Величина тем-
пературного коэффициента ТКε незначительно
возрастает с увеличением степени замещения в
обеих исследованных системах. В то же время
увеличение концентрации кобальта приводит к
линейному снижению величины электрической
добротности Q (таблица).
При добавлении 7 % мол. CaTiO3 к системе
состава (1–х )MgTiO3—хCoTiO3 образуются мно-
гофазные композиционные материалы, которые
содержат матричную фазу Mg1–хCoхTiO3, перов-
скит CaTiO3, а также включения дополнительной
фазы состава MgTi2O5 (рисунок, а). Увеличение
концентрации кобальта в системе приводит то-
лько к незначительному уменьшению содержания
Результаты исследования микроструктуры и диэлектрических свойств поликристаллических материалов на основе
титанатов магния MgTiO3 и Mg2TiO4 на частоте 1010 Гц
Состав Т сп, oC Фазовый состав ε ТКε, 10–6 К–1 Q
MgTiO3 * 1500 MgTiO3 16 +80 18000
Mg0.95Co0.05TiO3 1450 Mg1–хCoхTiO3 15.5 +80 12000
Mg0.8Co0.2TiO3 1450 Mg1–хCoхTiO3 15.8 +85 10000
0.93Mg0.98Co0.02TiO3—0.07CaTiO3 1350 Mg1–хCoхTiO3, CaTiO3, MgTi2O5 21.5 +5 7200
0.93Mg0.95Co0.05TiO3—0.07CaTiO3 1350 Mg1–хCoхTiO3, CaTiO3, MgTi2O5 21.0 +2 7800
Mg2TiO4 1450 Mg2TiO4 14.2 +90 16000
Mg1.95Co0.05TiO4 1420 Mg2–2хCo2хTiO4 13.5 +95 9000
Mg1.8Co0.2TiO4 1420 Mg2–2хCo2хTiO4 13.0 +98 6000
0.93Mg1.99Co0.01TiO4—0.07CaTiO3 1380 Mg2–2хCo2хTiO4, CaTiO3 19.2 +2 9500
0.93Mg1.98Co0.02TiO4—0.07CaTiO3 1380 Mg2–2хCo2хTiO4, CaTiO3 18.6 –1 10000
0.93Mg1.95Co0.05TiO4—0.07CaTiO3 1380 Mg2–2хCo2хTiO4, CaTiO3, MgTiO3 18.2 –5 7500
* Данные работы [4].
Микрофотографии шлифов поликристаллических материалов
систем 0.93Mg1–xCoxTiO3—0.07CaTiO3 (a, б) и 0.93Mg2–2хCo2х-
TiO4—0.07CaTiO3 (в, г) для х=0.01 (а, в), x=0.05 (б, г). Состав
микровключений светлой фазы соответствует CaTiO3. x2500.
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т . 72, № 1 35
фазы MgTi2O5 (рисунок, б). Увеличение степени
замещения в системе не приводит к заметному
изменению диэлектрических свойств синтезиро-
ванных материалов (таблица). Наиболее высо-
кие значения электрической добротности на ча-
стоте 1010 Гц (Q=7800) были получены для тер-
мостабильных материалов при х=0.05, что согла-
суется с имеющимися литературными данными [4].
В поликристаллических материалах системы
(1–х )Mg2TiO4—хCo2TiO4, в состав которых было
добавлено 7 % мол. CaTiO3, присутствие MgTi2O5
не наблюдается. При низких концентрациях ко-
бальта (0≤х≤0.02) композиты содержат только
матричную фазу Mg2–2хCo2хTiO4 и микровклю-
чения CaTiO3 (рисунок, в). При увеличении содер-
жания кобальта в системе (х>0.02) наблюдается
образование дополнительной фазы MgTiO3, со-
держание которой увеличивается с ростом степе-
ни замещения (рисунок, г). Появление MgTiO3
связано с образованием фаз переменного соста-
ва типа Mg2+2δTi1–δO4 при термическом разло-
жении Mg2TiO4 [8]. При этом рост концентрации
MgTiO3 приводит к заметному снижению вели-
чины электрической добротности (таблица), что,
вероятно, связано со снижением удельной плот-
ности многофазного материала. Наиболее высо-
кие значения электрической добротности на час-
тоте 1010 Гц (Q=10000) и, одновременно, термо-
стабильность электрофизических свойств, были
получены для материалов при х=0.02 (таблица).
Таким образом, в результате проведенных
исследований установлено, что увеличение кон-
центрации кобальта в однофазных материалах
на основе систем Mg1–хCoхTiO3 и Mg2–2хCo2х-
TiO4 приводит к снижению величины электри-
ческой добротности в диапазоне СВЧ. В то же
время в многофазных материалах на основе
твердых растворов Mg1–хCoхTiO3, Mg2–2хCo2х-
TiO4 и CaTiO3 высокие значения электрической
добротности, полученные при малых концент-
рациях кобальта (0≤х≤0.02), связаны с умень-
шением содержания дополнительных фаз. По-
этому наиболее высокие СВЧ -характеристики
(Q=10000 на частоте 1010 Гц) были получены в
композиционных материалах на основе Mg2TiO4,
содержащих только две кристаллические фазы
— шпинель Mg2–2хCo2хTiO4 и перовскит CaTiO3.
РЕЗЮМЕ. Вивчено вплив часткового заміщення
магнію кобальтом на мікроструктуру та електрофізич-
ні властивості матеріалів на основі титанатів магнію
MgTiO3 та Mg2TiO4. Показано, що наявність додатко-
вих фаз погіршує діелектричні властивості дослідже-
них матеріалів. Найбільш високі значення електрич-
ної добротності були отримані в термостабільних ком-
позиційних діелектриках на основі твердих розчинів
Mg2–2хCo2хTiO4.
SUMMARY. The effect of partial cobalt substitution
for magnesium in the materials based on magnesium ti-
tanates MgTiO3 and Mg2TiO4 on their microstructure and
electrophysical properties was studied. It has been shown
that the presence of impurity phases worsens the dielec-
tric properties of developed materials. The highest valu-
es of quality factor were obtained in the temperature
stable composite dielectrics based on the solid solutions
Mg2–2хCo2хTiO4.
1. Fiedziuszko S .J., Hunter I.C., Itoh T. et al. // IEEE
Trans. Microwave Theory Tech. -2002 -MTT-50. -P.
706—720.
2. Belous A .G. // J. Europ. Ceram. Soc. -2001. -21. -P.
2717—2722.
3. Sohn J.-H., Inaguma Y ., Y oon S .-O. et al. // Jpn. J.
Appl. Phys. -1994. -33, № 9B. -P. 5466—5470.
4. Cheng-L iang Huang, Chung-Long Pan, Jui-Feng Hsu.
// Mater. Res. Bulletin. -2002. -37. -P. 2483—2490.
5. Овчар О.В., Вьюнов О.И., Дурилин Д.А. и др. // Неор-
ган. материалы. -2004. -40, № 10. -С. 1270—1275.
6. Заявка на видачу пат. України на винахід, № 2005
014 52 / Білоус А.Г., Овчар О.В., Дурилін Д.О., та ін.
7. Belous A.G., Ovchar O.V., Durilin D.A. et al. // Proc.
IX ECERS Conf. and Exhibition, 19–23 June 2005,
Portoros (Slovenia). -Р. 157.
8. Petrova M .A., M ikirticheva G.A., Novikova A.S., Popo-
va V.F. // J. Mater. Res. -1997. -12, № 10. -Р.
1105—1110.
Институт общей и неорганической химии Поступила 16.05.2005
им. В.И . Вернадского НАН Украины, Киев
36 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т. 72, № 1
|