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研究生:陳盈圳
研究生(外文):Chen Ying-Tsun
論文名稱:(1-x)ZnNb2O6-xTiO2與NiNb2O6-yTiO2微波介電陶瓷製程及其特性之研究
論文名稱(外文):Process and Properties of (1-x)ZnNb2O6-xTiO2 andNiNb2O6-yTiO2 Microwave Dielectric Ceramics
指導教授:劉依政
指導教授(外文):Yi-Cheng Liou
學位類別:碩士
校院名稱:崑山科技大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
論文頁數:131
相關次數:
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本研究以反應燒結法製備(1-x)ZnNb2O6-xTiO2與NiNb2O6-yTiO2微波介電陶瓷。x=0.5,y=1時直接燒結混合原料即可以獲得單一相的Zn0.5Ti0.5NbO4(ZTN)與Ni0.5Ti0.5NbO4(NTN)陶瓷,且密度皆可達理論密度之99%以上。ZTN燒結在1200℃持溫2小時有較佳微波介電特性:Q×f=35000GHz,εr =32.6和τf =-48.38 ppm/℃。NTN燒結在1170℃持溫6小時有較佳微波介電特性:Q×f=3568GHz,εr =53.8和τf =+103.68 ppm/℃。在ZnNb2O6與NiNb2O6陶瓷中分別加入適當量之TiO2可使τf值接近0 ppm/℃,x=0.6時可得較佳微波介電特性:Q×f=19000GHz,εr =49.9和τf =0 ppm/℃,y=0.1時可得Q×f=18700GHz,εr =29.3和τf =-0.05 ppm/℃。添加0.5wt%CuO於ZTN與NTN可以成平飢C燒結溫度,分別於在1070℃/4 h與1130℃/4 h可獲得較佳微波介電特性:Q×f=32000GHz,εr =31.5和τf =-40.89 ppm/℃與Q×f=3579GHz,εr =53.2和τf =+93.81 ppm/℃。
(1-x)ZnNb2O6-xTiO2 and NiNb2O6-yTiO2 ceramics produced using a reaction-sintering process were investigated. Without any calcination involved, pure Zn0.5Ti0.5NbO4 (ZTN) and Ni0.5Ti0.5NbO4 (NTN) phases could be obtained successfully after sintering the pellets with x=0.5, y=1. Pellets with >99% of theoretical density could be obtained. Microwave dielectric properties Q×f=35000GHz, εr =32.6, and τf=-48.38 ppm/oC in ZTN sintered at 1200oC for 2 h and Q×f=35000GHz, εr =32.6, and τf=-48.38 ppm/oC in NTN sintered at 1170oC for 6 h were found. As TiO2 was added into ZnNb2O6 and NiNb2O6 τf values approach 0 ppm/oC could be found. Microwave dielectric properties Q×f=19000GHz, εr =49.9, and τf =0 ppm/oC in pellets with x=0.6 and Q×f=18700GHz, εr =29.3, and τf =-0.05 ppm/oC in pellets with y=0.1 were obtained. With CuO addition, the sintering temperature was lowered to 1070oC for ZTN and 1130oC for NTN. The microwave dielectric properties Q×f=32000GHz, εr =31.5 and τf =-40.89 ppm/oC for ZTN were found. Q×f=3579GHz, εr =53.2 and τf =+93.81 ppm/oC for NTN were found.
中文摘要-------i
英文摘要---------ii
誌謝-----------iii
目錄--------iv
表目錄--------ix
圖目錄-------x
第一章 緒論-------1
第二章 原理-----3
2.1微波介電材料-------3
2.1.1 介電常數---------4
2.1.2介電品質因數-----7
2.1.3 共振頻率溫度係數--------10
2.2 微波介電共振器理論-----11
2.3 微波特性量測-------13
2.3.1 介電常數量測-------13
2.3.2 Qd值量測-------16
2.3.3共振頻率溫度係數量測-----18
2.4 燒結原理-------19
2.4.1 再結晶和晶粒成長----20
2.4.2燒結原理和液相燒結------21
第三章 文獻回顧-------26
第四章 實驗步驟與分析----29
4.1 試片之製備------29
4.1.1 研究之材料----29
4.1.2 製程參數------29
4.1.3 燒結條件----31
4.2 特性量測與分析----31
4.2.1 XRD分析------31
4.2.2 SEM分析-------32
4.2.3密度之量測----------33
4.2.4微波特性量測----34
第五章 結果與討論-------35
5.1 ZTN-----------35
5.1.1 ZTN反應機制分析-------35
5.1.2 XRD分析-------36
5.1.3相對直徑收縮率百分比分析--------36
5.1.4密度分析----------------37
5.1.5 SEM分析---------38
5.1.6 介電常數分析------39
5.1.7 品質因數與共振頻率之乘積分析-----40
5.1.8共振頻率溫度係數分析--------41
5.2 ZTN+0.5wt%CuO----41
5.2.1 XRD分析---------41
5.2.2相對直徑收縮率百分比分析------42
5.2.3密度分析-------42
5.2.4 SEM分析----43
5.2.5介電常數分析----44
5.2.6品質因數與共振頻率之乘積分析----44
5.2.7共振頻率溫度係數分析--------45
5.3 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2---------46
5.3.1 XRD分析---------47
5.3.2相對直徑收縮率百分比分析------47
5.3.3密度分析-------48
5.3.4 SEM分析--------48
5.3.5介電常數分析------49
5.3.6品質因數與共振頻率之乘積分析-------50
5.3.7共振頻率溫度係數分析-----51
5.4 NTN---------52
5.4.1 NTN反應機制分析-----------52
5.4.2 XRD分析------53
5.4.3相對直徑收縮率百分比分析-------54
5.4.4密度分析---------55
5.4.5 SEM分析----------55
5.4.6 介電常數分析--------57
5.4.7 品質因數與共振頻率之乘積分析--------57
5.4.8共振頻率溫度係數分析-------58
5.5 NTN+0.5wt%CuO---------59
5.5.1 XRD分析----------59
5.5.2相對直徑收縮率百分比分析-------59
5.5.3密度分析------60
5.5.4 SEM分析----60
5.5.5介電常數分析----61
5.5.6品質因數與共振頻率之乘積分析------62
5.5.7共振頻率溫度係數分析-------62
5.6 NiNb2O6+8~10 mol%TiO2 -------63
5.6.1 XRD分析----------63
5.6.2相對直徑收縮率百分比分析------64
5.6.3密度分析---------65
5.6.4 SEM分析------65
5.6.5介電常數分析-----66
5.6.6品質因數與共振頻率之乘積分析-----67
5.6.7共振頻率溫度係數分析------68
第六章 結論-----69
參考文獻-------72
表4.1 ZTN燒結條件------------77
表4.2 ZTN+0.5wt% CuO燒結條件--------77
表4.3 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2燒結條件-----------78
表4.4 NTN燒結條件-------------78
表4.5 NTN+0.5wt% CuO燒結條件------79
表4.6 NiNb2O6+8~10 mol%TiO2燒結條件-----------79
表5.1 ZTN在不同燒結溫度和持溫時間的平均晶粒大小(單位:μm)-80
表5.2 ZTN+0.5wt% CuO在不同燒結溫度和持溫時間的平均晶粒大小(單位:μm)---------------80
表5.3 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2在不同燒結溫度和持溫時間的平均晶粒大小(單位:μm)----------80
表5.4 NTN在不同燒結溫度和持溫時間的平均晶粒大小(單位:μm)-81
表5.5 NTN+0.5wt% CuO在不同燒結溫度和持溫時間的平均晶粒大小(單位:μm)-------------81
表5.6 NiNb2O6+8~10 mol%TiO2在不同燒結溫度和持溫時間的平均晶粒大小(單位:μm)--------81
圖2.1四種極化機構-------------82
圖2.2頻率對極化機構的影響--------83
圖2.3共振波峰的頻譜示意圖--------83
圖2.4 (A)TE01δ Mode電場及磁場示意圖;(B)TM01δ Mode電場及磁場示意圖;(C)HEM01δ電場與磁場示意圖-----84
圖2.5 DR量測夾具----------85
圖2.6 DR量測夾具實體圖------85
圖2.7介電係數測量之量測系統-------86
圖2.8在TE模式下DR電場之分佈區域------86
圖4.1實驗流程--------87
圖5.1 ZTN加熱至各溫度不持溫之XRD分析圖---88
圖5.2 ZTN加熱至 (a)700℃;(b)800℃;(c)900℃;(d)1000℃;(e)1100℃溫度下不持溫之SEM圖---89
圖5.3 ZTN DSC-TGA分析圖----------90
圖5.4 ZTN在1200℃及1250℃和1300℃燒結2小時之XRD分析圖-90
圖5.5 ZTN在各溫度燒結之收縮率曲線圖-------91
圖5.6 ZTN在各溫度燒結之密度及相對密度曲線圖--91
圖5.7 ZTN在 (a)1050℃;(b)1100℃;(c)1150℃;(d)1200℃;(e)1250℃持溫2小時的SEM圖-------92
圖5.8 ZTN在 (a)1050℃;(b)1100℃;(c)1150℃;(d)1200℃;(e)1250℃持溫4小時的SEM圖-------93
圖5.9 ZTN在各溫度燒結之介電常數曲線圖-----94
圖5.10 ZTN在各溫度燒結之Q×f曲線圖------94
圖5.11 ZTN在各溫度燒結之τf曲線圖-----95
圖5.12 ZTN+0.5wt% CuO在1050℃及1100℃燒結2小時之XRD分析圖------96
圖5.13 ZTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之收縮率曲線圖-------97
圖5.14 ZTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之密度相對密度曲線圖-----97
圖5.15 ZTN+0.5wt% CuO在 (a)1000℃;(b)1030℃;(c)1050℃;
(d)1070℃;(e)1100℃持溫2小時的SEM圖-----98
圖5.16 ZTN+0.5wt% CuO在 (a)1000℃;(b)1030℃;(c)1050℃;(d)1070℃;(e)1100℃持溫4小時的SEM圖---99
圖5.17 ZTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之介電常數曲線圖---100
圖5.18 ZTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之Q×f曲線圖---100
圖5.19 ZTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之τf曲線圖--101
圖5.20 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2在1200℃及1250℃和1300℃燒結2小時之XRD分析圖-------102
圖5.21 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2在各溫度燒結之收縮率曲線圖----103
圖5.22 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2在各溫度燒結之密度相對密度曲線圖-103
圖5.23 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2在 (a)1050℃;(b)1100℃;(c)1150℃;(d)1200℃;(e)1250℃;(f)1300℃持溫2小時的SEM圖--------104
圖5.24 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2在(a)1050℃;(b)1100℃;(c)1150℃;(d)1200℃;(e)1250℃;(f)1300℃持溫4小時的SEM圖--------105
圖5.25 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2在各溫度燒結之介電常數曲線圖-------106
圖5.26 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2在各溫度燒結之Q×f曲線圖--------------106
圖5.27 0.4ZnNb2O6-0.6TiO2在各溫度燒結之τf曲線圖------------------107
圖5.28 NTN加熱至各溫度不持溫之XRD分析圖-----108
圖5.29 NTN加熱至 (a)700℃;(b)800℃;(c)900℃;(d)1000℃;(e)1100℃溫度下不持溫之SEM圖-----109
圖5.30 NTN DSC-TGA分析圖-------110
圖5.31 NTN在1200℃及1250℃和1300℃燒結2小時之XRD分析圖-----------110
圖5.32 NTN在各溫度燒結之收縮率曲線圖----111
圖5.33 NTN在各溫度燒結之密度相對密度曲線圖----111
圖5.34 NTN在 (a)1200℃;(b)1230℃;(c)1250℃;(d)1270℃;(e)1300℃持溫2小時的SEM圖---112
圖5.35 NTN在 (a)1200℃;(b)1230℃;(c)1250℃;(d)1270℃;(e)1300℃持溫4小時的SEM圖-----113
圖5.36 NTN在 (a)1130℃;(b)1150℃;(c)1170℃;(d)1200℃;(e)1230℃持溫6小時的SEM圖-----114
圖5.37 NTN在各溫度燒結之介電常數曲線圖---115
圖5.38 NTN在各溫度燒結之Q×f曲線圖-----115
圖5.39 NTN在各溫度燒結之τf曲線圖----116
圖5.40 NTN+0.5wt% CuO在1070℃及1100℃燒結2小時之XRD分析圖----117
圖5.41 NTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之收縮率曲線圖------118
圖5.42 NTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之密度相對密度曲線圖---118
圖5.43 NTN+0.5wt% CuO在 (a)1070℃;(b)1100℃;(c)1130℃;(d)1150℃;(e)1170℃持溫2小時的SEM圖--119
圖5.44 NTN+0.5wt% CuO在 (a)1070℃;(b)1100℃;(c)1130℃;(d)1150℃;(e)1170℃持溫4小時的SEM圖--120
圖5.45 NTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之介電常數曲線圖---------121
圖5.46 NTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之Q×f曲線圖--121
圖5.47 NTN+0.5wt% CuO在各溫度燒結之τf曲線圖122
圖5.48 NNT8在1200℃及1250℃及1270℃和1300℃燒結2小時之XRD分析圖----123
圖5.49 NNT9在1200℃及1250℃及1270℃和1300℃燒結2小時之XRD分析圖---124
圖5.50 NNT10在1200℃及1250℃及1270℃和1300℃燒結2小時之XRD分析圖---125
圖5.51 NNT8及NNT9和NNT10在各溫度燒結2小時之收縮率曲線圖------126
圖5.52 NNT8及NNT9和NNT10在各溫度燒結2小時之密度曲線圖---------126
圖5.53 NNT8在 (a)1170℃;(b)1200℃;(c)1230℃;(d)1250℃;(e)1270℃;(f)1300℃持溫2小時的SEM圖-------127
圖5.54 NNT9在 (a)1170℃;(b)1200℃;(c)1230℃;(d)1250℃;(e)1270℃;(f)1300℃持溫2小時的SEM圖----128
圖5.55 NNT10在 (a)1170℃;(b)1200℃;(c)1230℃;(d)1250℃;(e)1270℃;(f)1300℃持溫2小時的SEM圖-----129
圖5.56 NNT8及NNT9和NNT10在各溫度燒結2小時之介電常數曲線圖----------130
圖5.57 NNT8及NNT9和NNT10在各溫度燒結2小時之Q×f曲線圖-----------130
圖5.58 NNT8及NNT9和NNT10在各溫度燒結2小時之τf曲線圖-------131
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