Керамические диэлектрики в системе Li2O-ZnO-TiO2 для микроволновой техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Вершинин Дмитрий Игоревич

• Вершинин Дмитрий Игоревич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Вершинин Дмитрий Игоревич

Оглавление

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Основные свойства диэлектрических материалов

1.2 Классификация диэлектрических материалов

1.3 Технология производства керамических диэлектриков и ее перспективы

1.4 Общая концепция материалов, перспективных для LTCC

1.5 Перспективные материалы для LTCC

1.5.1 ТЮ2

1.5.2 Системы вида Li2O-RO-TiO2

1.6 Способы понижения температуры спекания LTCC-материалов

1.6.1 Основные механизмы спекания керамики

1.6.2 Классификация спекающих добавок

1.6.3 Спекающие добавки в системах Li2O-ZnO-B2O3 и Ы20-Б203-8Ю2 83 Выводы из обзора литературы

2 Методическая часть

2.1 Методы исследования

2.2 Синтез рабочих составов

2.3 Методика подготовки образцов

2.4 Изучение кинетики спекания керамики Li2ZnTi308 с различными спекающими добавками

3 Исследование фазовых превращений в системе Li20-Zn0-Ti02

3.1. Синтез соединения Li2ZnTi308

3.2. Синтез соединения Li2Zn3Ti4012

4 Синтез спекающих добавок Li20-Zn0-B203 и Li20-B203-Si02

5 Керамика на основе Li2ZnTi308 и Li2Zn3Ti4012 со спекающей добавкой в системе Li20-Zn0-B203 с использованием различных временных технологических связок

5.1 Керамика на основе Li2ZnTi308 и Li2Zn3Ti4012 со спекающей добавкой в системе Li20-Zn0-B203 с использованием поливинилового спирта в качестве связующего

5.2 Керамика на основе Li2ZnTi308 со спекающей добавкой в системе Li20-Zn0-B203 с использованием парафина в качестве связующего

6 Исследование влияния спекающих добавок эвтектического состава в системах Li20-Zn0-B203 и Li20-B203-Si02 на спекание и свойства керамики Li2ZnTi308

7 Исследование кинетики спекания керамики на основе Li2ZnTi308 с различными спекающими добавками неизотермическим методом

8 Обсуждение результатов

8.1 Сравнение свойств керамики на основе Li2ZnTi308 и Li2Zn3Ti4012

8.2 Сравнение свойств керамики на основе Li2ZnTi308,

отформованной при использовании различных временных технологических связок

8.3 Влияние спекающих добавок эвтектического состава в системах Ы20-7п0-Б203 и Li2O-B2O3-SiO2 на спекание и свойства керамики Ь^ПТЬА

Заключение

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Керамические диэлектрики в системе Li2O-ZnO-TiO2 для микроволновой техники»

Актуальность темы исследования

Разработка новых составов керамических диэлектриков с температурой спекания ниже 961 °С и высоким уровнем диэлектрических свойств (£>18, Q>300 при частоте /=1 МГц), а также отработка технологии их получения, для дальнейшего производства на их основе различных электронных компонентов, таких как резонаторы, монополи, полосовые фильтры, подложки и корпуса многослойных интегральных схем (МИС) и др., является востребованным и перспективным направлением для исследований в области химической технологии тугоплавких и неметаллических материалов.

Степень ее разработанности.

В современной микроэлектронике производство керамических диэлектриков по технологии низкотемпературного со-обжига керамики (ЬТСС) основывается на спекании оксидной керамики (преимущественно на основе а-А1203, ТЮ2) при температурах ниже 961 оС за счет введения стекол в качестве спекающих добавок в количестве до 60 об. %. Это с одной стороны, позволяет снизить температуру спекания керамики, но с другой стороны приводит к ухудшению диэлектрических свойств за счет наличия аморфной фазы. Поэтому представлял интерес возможность создания керамических диэлектриков с температурой спекания, пониженной за счет введения спекающих добавок эвтектического состава в количестве 1,0-5,0 мас. %. Наличие кристаллической структуры таких добавок позволяет снизить температуру спекания керамики без значительного ухудшения диэлектрических свойств.

Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-33-90164 Аспиранты.

Цели и задачи

Цель работы - получение керамики в системе Li2O-ZnO-TiO2 с температурой спекания ниже 961 оС, относительной диэлектрической

"5

проницаемостью ег не менее 18 и добротностью Q более 300 (^ ¿<3,3 10- ) при

частоте /=1 МГц и выше, а также исследование влияния спекающих добавок эвтектического состава на спекание, фазовый состав, микроструктуру, физико-механические и диэлектрические свойства композиций для разработки энерго- и ресурсосберегающих технологий производства электронных компонентов различного назначения.

Научная гипотеза исследования заключается в возможности снижения температуры спекания керамики в системе Li20-Zn0-Ti02 до 961 оС и ниже путем введения спекающих добавок эвтектического состава в количестве 1,0-5,0 мас. % при сохранении необходимого уровня диэлектрических свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) Выбор соединений в системе Li20-Zn0-Ti02, отвечающих требованиям к диэлектрическим свойствам;

2) Изучение хода фазовых превращений при синтезе соединений, а также изучение влияния условий синтеза на фазовый состав и морфологию порошков;

3) Определение условий синтеза соединений, позволяющих получить максимальный выход необходимых фаз при условии сохранения микронного и субмикронного размера частиц, а также их высокой дефектности;

4) Подбор спекающих добавок эвтектического состава в системах Li20-Zn0-B203 и Li20-B203-Si02, их синтез;

5) Получение керамики на основе порошков системы Li20-Zn0-Ti02, синтезированных при оптимальных условиях, а также подобранных спекающих добавок, введенных в количестве 1,0, 3,0 и 5,0 мас. %;

6) Определение структурных, физико-механических и диэлектрических свойств образцов, изучение их микроструктуры и фазового состава;

7) Установление влияние введения спекающих добавок эвтектического состава на процесс спекания, микроструктуру, фазовый состав и свойства материалов;

8) Определение оптимальных концентраций спекающих добавок, необходимых для эффективной интенсификации процесса спекания композиций при температурах ниже 961 оС при условии сохранения необходимого уровня диэлектрических свойств.

Научная новизна

1. Впервые показано, что при синтезе соединения Li2ZnTi3O8 начало фазообразования наблюдается при температуре ~676 °C, при этом формируется фаза Li2OTiO2, после чего, при температуре около 813 °C происходит образование соединения Li2ZnTi3O8. Наибольшего выхода фазы Li2ZnTi3O8 удается достичь в ходе синтеза при 900 °C и выдержке 4 ч;

2. Впервые установлено, что образование соединения Li2Zn3Ti4O12 начинается при температуре ~685 °C, при этом сначала формируются фазы Li2ZnTi3O8 и ZnTiO3. Далее, при температуре 900 °C при твердофазовом взаимодействии упомянутых соединений формируется Li2Zn3Ti4O12. Выход искомой фазы при температуре 900 °C и выдержке в течение 4 ч составляет 100 %, вторичных фаз не наблюдается;

3. На примере спекающих добавок эвтектического состава 20Li2O-30ZnO-50B2O3 (LZB) и 20Li2O-42B2O3-38SiO2 (LBS) установлено, что их введение в материал в количестве 1,0-5,0 мас. % позволяет снизить температуру спекания материалов с 1075 оС до 900-950 оС, что позволяет разрабатывать энерго- и ресурсоэффективные технологии микроволновых материалов. Кроме этого, при использовании добавки LZB удается получить керамику с равномернозернистой и однородной микроструктурой, при сохранении исходного фазового состава и высокого уровня диэлектрических свойств: ег=24,0, 0=1069,0;

4. Установлены механизмы спекания керамики Li2ZnTi3O8 с добавками LZB и LBS. В обоих случаях материалы спекаются по жидкофазному механизму, однако в случае LZB происходит растворение фазы Li2ZnTi3O8 с ее последующей кристаллизацией, а в случае LBS - перегруппировка и контактное спекание частиц твердой фазы. При этом кажущаяся энергия активации спекания керамики

с добавкой Li2O-ZnO-B2O3 составляет 261 кДж/моль, Li2O-B2O3-SiO2 -129 кДж/моль.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Определены условия синтеза порошков соединений Li2ZnTi3O8 и Li2Zn3Ti4O12, обеспечивающие получение монофазных порошков субмикронного размера. Так, синтез обоих соединений происходит при 900 °C и выдержке 4 ч. Средний размер частиц порошка Li2ZnTi3O8 составляет 2,5-6,1 мкм, а Li2Zn3Ti4O12 - 2,9-4,4 мкм. При повышении температуры синтеза наблюдается рост размера кристаллов, однако все порошки сохраняют размер частиц менее 50,0 мкм; что отвечает всем требованиям, предъявляемым к сырью для производства керамических диэлектриков;

2. На основе соединений Li2ZnTi3O8 и Li2Zn3Ti4O12 при введении различных спекающих добавок эвтектического состава получены керамические материалы с температурой спекания ниже 961 оС и следующим уровнем

"5

диэлектрических свойств: £,>18, Q>300 (tg ¿<3,3-10-) при частоте f=1 МГц. Полученные материалы в дальнейшем можно использовать для производства электронных компонентов в области спутниковой и сотовой связи с er=18-30 и Q>300;

3. Использование в качестве спекающей добавки эвтектики LBS дает возможность получить плотный материал при температуре ниже 961 оС. Наилучшими свойствами среди исследованных составов в этом случае обладает керамика, содержащая LBS в количестве 3,0 мас. % и полученная при 950 °C. Свойства такой керамики следующие: рср=3,42 г/см , По=1,5 %, а er=18,4 и Q=137,2 (tg ¿=7,2-10-); при этом оизг=47,8±2,9 МПа, а а при температурах 850-950 °C составляет 12,0210-6 °C-1;

4. При использовании добавки эвтектического состава LZB в количестве 3,0 мас. % и температуре обжига 950 оС рср=3,73 г/см3, По=0,4 %, при этом er=24,0, Q=1069,0 (tg ¿=9,3-10-4), оизг=64,9±3,3 МПа, а ТКЛР при температурах 850-950 °C составляет 11,47 10-6 °C-1, что полностью удовлетворяет задачам исследования.

Разработанный материал можно использовать в технологии LTCC для производства таких электронных компонентов как фильтры, резонаторы, монополи, подложки.

Методология и методы исследования

В работе использовали такие современные методы физико-химического анализа, как дифференциально-термический (ДТА) и рентгенофазовый (РФА) анализы, методы оптической и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Площадь удельной поверхности рассчитывали по результатам газопроницаемости, а распределение частиц по размерам определяли методом лазерной гранулометрии.

Фазовый состав изучали при помощи РФА, микроструктуру при помощи СЭМ, открытую пористость (П0) и среднюю плотность (рср) материалов - методом гидростатического взвешивания, предел прочности при трехточечном изгибе (оизг) определяли на разрывной машине FM-500; термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) образцов - при помощи горизонтального кварцевого дилатометра. Определение добротности Q, тангенса угла диэлектрических потерь tg 3 и относительной диэлектрической проницаемости ег образцов производили на измерителе добротности Е4-7.

Кажущаяся энергия активации процесса спекания рассчитана методом неизотермического спекания.

Положения, выносимые на защиту:

1) Условия синтеза соединений Li2ZnTi308 и Li2Zn3Ti4012, обеспечивающие получение монофазных порошков субмикронного размера, а также влияние температуры синтеза на фазовый состав и морфологию порошков;

2) Составы керамики, перспективные для использования в производстве электронных компонентов в области бытовой техники и спутниковой связи, таких как фильтры, резонаторы, монополи, подложки.

3) Механизмы спекания керамики с добавками различной природы.

Степень достоверности и апробации результатов

Степень достоверности результатов исследований подтверждается осуществлением комплексных исследований с использованием современных физико-химических методов анализа, воспроизводимостью экспериментальных данных и соответствием результатов современному уровню знаний в исследуемой области науки, представленным в публикациях других ученых.

Результаты исследований представлены более чем на 15 конференциях всероссийского и международного уровня: XII, XIV, XV, XVI, XVII Международных конгрессах молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2016», «МКХТ-2018», «МКХТ-2019», «МКХТ-2020», «МКХТ-2021» (г. Москва, Россия, 2016, 2018, 2019, 2020 и 2021 гг.), XI и XII Международных научно-технических конференциях «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (г. Минск, Беларусь, 2016, 2017 гг.), XXI Международной научно-технической конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» (г. Обнинск, Россия, 2016 г.), III и IV Всероссийских конференций с международным участием «Исследования и разработки в области химии и технологии функциональных материалов» (г. Апатиты, Россия, 2018 и 2019 гг.), 4th International Conference and Expo on Ceramics and Composite Materials (Rome, Italy, 2018), XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (г. Санкт-Петербург, Россия, 2019 г.), Международной научно-технической конференции «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении 2020» (г. Севастополь, Россия, 2020 г.), XXII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера (г. Томск, Россия, 2021 г.).

1 Обзор литературы

Микроволновые устройства традиционно изготавливали из металлических соединений, из которых получались дорогостоящие, тяжелые и громоздкие устройства. В дальнейшем с развитием радиоэлектронной промышленности и технологий возникла тенденция к миниатюризации и уменьшению веса микроволновых устройств - электронные схемы для автомобильной промышленности, электроники и телекоммуникаций должны обрабатывать сегодня неуклонно растущее количество функций, занимая при этом как можно меньше места. Ввиду новых требований металлы потеряли свою популярность, а на замену им пришли керамические материалы, стекла, полимеры и различные композиты на их основе.

Керамические материалы как вакуумно-плотные высокочастотные диэлектрики стали рассматриваться лишь с развитием СВЧ - приборостроения. По сравнению со стеклом керамика может обеспечить более точное закрепление электродов, уменьшить потери СВЧ энергии, а также повысить термостойкость приборов, как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации [1]. Активное внедрение керамики в радиоэлектронные устройства стало возможно и перспективно при формировании технологии высокотемпературного со-обжига керамики (ВСК, НТСС). По этой технологии получали первые керамические подложки для многослойных интегральных схем (МИС) на основе таких соединений как корунд А1203, броммелит ВеО, муллит 3А1203^Ю2 и др. [2]. Однако, производство МИС на основе перечисленных соединений имеет ряд недостатков: достаточно высокие температуры обжига (1400-1800 °С), а также необходимость использования в качестве проводящего слоя легко окисляющихся тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден. Использование данных металлов требует поддержания восстановительной среды в печи при обжиге.

С развитием мобильных телефонов и различной бытовой техники -устройств, использующихся для быстрой передачи информации различного формата при использовании технологий беспроводной связи, керамика со

специфическими диэлектрическими свойствами также делает стремительный скачок в своем развитии. В связи с этим стали активно применять широкополосные и высокочастотные технологии. Мобильные телефоны переходят на все более высокие частоты: 800 МГц, 1,5 ГГц, 2 ГГц - которые используются для различных видов передачи данных беспроводных путем. Электронные устройства оснащены различными функциями, такими как Bluetooth, GPS, LAN и пр., рабочие частоты которых также повышаются и составляют от 1 кГц до 10 ГГц [3].

Дальнейшее развитие и усовершенствование технологических процессов получения керамических диэлектриков, привело к формированию таких классов материалов как низкотемпературная и ультранизкотемпературная со-обжиговая керамика (НСК и УНСК соответственно), а технология низкотемпературного со-обжига керамики (LTCC) позволила снизить стоимость и улучшить характеристики электронных компонентов, а именно фильтров, резонаторов, монополей, многослойных интегральных схем и др. Таким образом, для производства отдельных электронных компонентов предложены керамические материалы, обжиг которых и нанесение на их поверхность металлизации производится при температуре ниже 1000 °С, а высокий уровень диэлектрических свойств позволяет миниатюризировать такие устройства.

Используемые в технологии LTCC керамические материалы в зависимости от области их применения должны обладать различным уровнем диэлектрических свойств, такими как относительная диэлектрическая проницаемость sr, тангенс угла диэлектрических потерь tg ô, добротность Q или фактор диэлектрической добротности Q f и температурные коэффициенты резонансной частоты if и диэлектрической проницаемости TKs.

Керамика с низкими диэлектрическими потерями, разработанная с целью различного применения в беспроводных коммуникациях, подразделяется по своим диэлектрическим свойствам на три категории (рисунок 1.1) [4].

|<МИ И ИНГ

>в

о

•л

%и I00000-

я 1 ^

ф ^ г в д и

В о Г1 О

о, В

О Й

Ь. О

5 а « «о

О о п

|1МММ>

НИИ»

100

большой и низкая г, для КВЧ - приборов

\

I. •

оольшие СК и е, >1 для спутниковой связи

\

низкий ОхГ н большая е, * для мнннапорнзашш

.Л мобильных телефонов

0 20 60 100 140

Относительная диэлектрическая проницаемость £Г

Рисунок 1.1 - Зависимость фактора диэлектрической добротности Q•f от относительной

диэлектрической проницаемости ег [4]

Первая категория включает керамику с низкой диэлектрической проницаемостью и ультравысокой добротностью, которая используется для КВЧ приборов, применяемых в медицине и материалов для подложек МИС или монолитных интегральных схем. Вторая категория материалов со средней диэлектрической проницаемостью (ег=25-50) и высоким Q■f используется для спутниковой и сотовой связи, в бытовой технике. Третья категория включает в себя керамику с крайне высокой проницаемостью, используется в мобильных устройствах, где миниатюризация устройства является ключевым требованием [4,

5].

Прежде чем рассмотреть виды материалов, применяемых в качестве диэлектриков более подробно, следует обозначить основные электрофизические свойства, требования к уровню которых могут сильно варьироваться в зависимости от роли, выполняемой материалом в устройстве.

1.1 Основные свойства диэлектрических материалов

В 60-х годах XX века в области радиоэлектроники были спроектированы и разработаны первые интегральные схемы (ИС), в которых все электронные

компоненты разрабатываются в едином технологическом процессе, механически и электрически соединены между собой, что в свою очередь позволило миниатюризировать радиоэлектронную аппаратуру. ИС в 60-х содержали до 100 элементов на полупроводниковом кристалле, а размер элементов составлял ~100 мкм. Дальнейшее развитие привело к освоению субмикронных размеров элементов микросхем, а в 90-е сформировалось направление наноэлектроники, в котором размер элементов не превышает всего лишь 0,2 мкм [6]. С развитием техники в области беспроводных телекоммуникаций, в частности мобильной телефонии, высокоскоростного интернета, автомобильных радаров, Bluetooth и локальных сетей LAN, работающих в СВЧ диапазонах (начиная от 1 МГц до 10 ГГц), возникла острая необходимость дальнейшей миниатюризации электронных компонентов [7].

Следует рассмотреть классификации материалов, используемых в радиоэлектронике, а также их основные функциональные свойства и выполняемые роли в устройствах [8, 9].

В соответствии с зонной теорией, по реакции на электрическое поле радиоматериалы подразделяют на проводники, диэлектрики и полупроводники. Такая классификация радиоматериалов обусловлена шириной запрещенной зоны твердых тел. Согласно этой теории, материалы, в энергетической диаграмме которых отсутствует запрещенная зона, относятся к категории проводников, материалы с узкой запрещенной зоной (менее 3 эВ) - к категории полупроводников и материалы с широкой запрещенной зоной (более 3 эВ) - к категории диэлектриков [6].

Электрофизические свойства диэлектрических материалов. Электрофизические свойства керамики обусловливают возможность их применения в различных областях техники в качестве электрической изоляции, конденсаторов и т.д. [10]. Подавляющее большинство керамических материалов относится к классу диэлектриков, однако они являются изоляторами лишь по отношению к постоянному напряжению.

Таким образом, основное свойство диэлектрика - не проводить электрический ток. Реально все диэлектрики проводят незначительный ток, называемый током утечки, или сквозной проводимости [11].

В твердых диэлектриках основными носителями электрического тока являются электроны и ионы. При электронной проводимости носителями тока являются свободные электроны. При ионной проводимости носителями тока служат свободные ионы, и процесс сопровождается переносом вещества. Такая проводимость обусловлена диссоциацией на ионы основного вещества данного материала либо второй фазы - влаги, примесей и т.п. Она определяется дефектами структуры и характером их теплового движения.

Поскольку у керамических диэлектриков на основе сложных оксидов ширина запрещенной зоны очень высока, то вплоть до высоких температур проводимость за счет дефектов основного вещества маловероятна и ток при наличии внешнего поля будет обусловлен свободными электронами, дырками и другими дефектами, образованными примесными ионами [10].

Так как диэлектрические материалы обладают незначительной электропроводностью, основным их электрическим свойством является их способность к поляризации. Поляризация - процесс упорядочения его связанных электрических зарядов под действием электрического поля [11]. В целом описать этот процесс можно так: заряженные частицы диэлектрика связываются друг с другом и не имеют возможности перемещаться по его объему под действием электрического поля. Однако если диэлектрик внести во внешнее электрическое поле, то заряды атомов или целых молекул начнут перераспределяться, создавая на поверхности диэлектрика нескомпенсированные связанные заряды. Заряды внутри диэлектрика создают собственное поле, которое противоположно вектору напряженности поля внешнего [6].

Относительная диэлектрическая проницаемость. Интенсивность процесса поляризации оценивают величиной электрического момента единицы объема материала:

Рт С11)

где т - электрический момент, п - количество частиц в единице объема.

Величину Рдиэл. называют поляризованностью диэлектрика. О способности диэлектрика поляризоваться судят по увеличению емкости конденсатора при помещении его между обкладками этого диэлектрика.

При отсутствии диэлектрика (рисунок 1.2, а) емкость конденсатора равна

= (1-2) где е0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,8410-12 Ф/м;

5 - площадь обкладок конденсатора; й - расстояние между обкладками.

При этом на обкладках существуют электрические заряды, величина которых равна

о = Со и, (1.3)

где и - напряжение между обкладками конденсатора.

При наличии диэлектрика (рисунок 1.2, б) на его поверхности появляются поляризационные заряды, а на обкладках конденсатора - наведенные заряды Qнав,, при этом емкость конденсатора становится равной

/11 _ Qo~^Qнaв. /1

сд — ц . (1-4)

Это увеличение емкости учитывают путем введения безразмерного коэффициента ег, называемого относительной диэлектрической проницаемостью, которая показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора с вакуумом. При наличии диэлектрика емкость конденсатора равна:

С д — £г£о~, (1-5)

-Оо

□

0

а

+Оо

- + - и -

-<Оо*си)

♦(Оо+си)

© — ©

В □ © О ! В

© & © О ©

в в В

© О © ©

в в я л» © СБ) л \ в

© -г— ©

и

Рисунок 1.2 - Изменение емкости между обкладками конденсатора при внедрении диэлектрика

Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика к поляризации и связана с поляризованностью соотношением

[ диэл.

= £0( £г - 1 ) Е,

(1.6)

где

Е - напряженность электрического поля [3].

Уменьшение длины волны внутри диэлектрика можно описать уравнением

, (1.7)

/о У£г

- длина волны в диэлектрике,

Б - геометрический размер диэлектрика,

- скорость света в вакууме,

- резонансная частота.

Из уравнения (1.7) следует, что увеличение диэлектрической проницаемости влечет за собой возможность снижения размеров диэлектрика при той же резонансной частоте. Это крайне важный эффект, решающий проблему миниатюризации микроволновых компонентов. Схематично явление изменения длины волны показано на рисунке 1.3.

ег1 и е'2 - диэлектрические проницаемости диэлектрика с большим и меньшим размерами соответственно

Рисунок 1.3 - Уменьшение длины волны внутри диэлектрического материала [12]

Влияние температуры на величину ег оценивают температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКе:

Т К — -—, (1.8)

£ £ йТ'

Этот коэффициент равен относительному изменению диэлектрической проницаемости при увеличении температуры на 1 оС [6]. ТКе может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от характера поляризации образца [11].

Частотная зависимость проницаемости обусловлена инерционностью процессов поляризации. У неполярных диэлектриков, характеризующихся электронной поляризацией, процесс образования упругих диполей протекает практически мгновенно, поэтому ег не зависит от частоты поля. У полярных диэлектриков в области низких частот твердые диполи успевают поворачиваться за половину периода колебаний, поэтому ег не зависит от частоты. На высоких частотах диполи не успевают следовать за изменениями электрического поля, вследствие чего снижается интенсивность дипольной поляризации и резко уменьшается ег [6].

Диэлектрические потери. Диэлектрическими потерями называют мощность, расходуемую электрическим полем на поляризацию диэлектрика. Эта мощность выделяется в виде тепла. Поглощение мощности диэлектриком обусловлено медленными поляризациями, электропроводностью диэлектрика и сквозной проводимостью в случае его неоднородности либо при наличии примесей [6]. В технических диэлектриках помимо потерь от замедленной поляризации и от проводимости могут возникнуть дополнительные факторы, сильно влияющие на диэлектрические потери, к примеру, влага, оксиды железа и другие. Для реального диэлектрика, кроме обратимого накопления энергии (за счет поляризации), будет происходить и необратимое поглощение энергии, определяемое переходом части энергии в тепловую и ее рассеянием в диэлектрике. Отношение тока потерь к зарядному току называют тангенсом угла диэлектрических потерь tg д. Величину, обратную тангенсу, называют добротностью материала Q [10]. Добротность в не меньшей степени важна для корреляции диэлектрических потерь, особенно на микроволновых частотах [13, 14].

Малые диэлектрические потери, характеризующиеся высоким значением добротности соответственно, необходимы для конкурентоспособной производительности устройства с максимально возможной устойчивостью к помехам и окружающему воздействию. Добротность, как свойство микроволновых компонентов, имеет принципиальное значение особенно для тех устройств, которые планируется использовать в качестве резонаторов [15].

Для керамики при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери за счет сквозной электрической проводимости. Для большинства видов керамики характерны повышенные диэлектрические потери, вызванные релаксационной поляризацией. У диэлектриков с такой поляризацией наблюдается максимум на зависимости потерь от частоты и температуры. Максимум Щ д отвечает условию близости

значений времени релаксации частиц и периода колебаний электрического поля. Время релаксации зависит от температуры и уменьшается с ее повышением. Поэтому при повышенных температурах максимум смещается в область более высоких частот.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вершинин Дмитрий Игоревич, 2022 год

- 190 с.

159. ГОСТ 11.004 - 74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения.

- М: Издательство стандартов, 1974. - 20 с.

160. Kiani, M.K. Microstructural and microwave dielectric properties of LZT (Li2ZnTi3O8) ceramics sintered in presence of bismuth borate glass for LTCC applications / M.K. Kiani, E. Touradj, S. Banijamali, R. Riahifar, C. Russel, T. Zscheckel, H. Ren // Ceramics International. - 2017. - P. 30.

161. Vershinin, D.I. The synthesis of Li2ZnTi3O8 and Li2Zn3Ti4O12 powders for Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) production /

D.I.Vershinin, I.N. Khusainov, N.A. Makarov // IOP Conf. Series: Mat. Science and Eng. - 2020. - V. 971. - P. 022-038.

162. Хусаинов, И.Н. Влияние условий синтеза на фазовый состав порошков в системе Li2O-ZnO-TiO2 / И.Н. Хусаинов, Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров // Успехи в химии и химической технологии. - 2020. - Т. 34. - №5. С. 100-102.

163. Вершинин, Д.И. Синтез порошков в системе Li2O-ZnO-TiO2 для получения низкотемпературной со-обжиговой керамики / Д.И. Вершинин, И.Н. Хусаинов, Н.А. Макаров, А.В. Рассказин // Сб. докл. XIV Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, специалистов и студентов ВУЗов «Научно-практические проблемы в области химии и химических технологий». - Апатиты, Труды Кольского научного центра РАН. - 2020. - Выпуск 4. С. 29-33.

164. Хусаинов, И.Н. Влияние условий синтеза на фазовый состав порошков в системе Li2O-ZnO-TiO2 для получения низкотемпературной со-обжиговой керамики / И.Н. Хусаинов, Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров // «Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды»: сб. материалов VIII Всерос. конф. - Чебоксары. - 2020. С. 259-260.

165. Вершинин, Д.И. Низкотемпературная со-обжиговая керамика Li2Zn3Ti4O12 модифицированная эвтектической добавкой системы Li2O-ZnO-B2O3 / Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров // Стекло и керамика. - 2018. - № 8. С. 3-7.

166. Vershinin, D.I. Li2O-ZnO-TiO2 ceramic with eutectic additives for LTCC technology / D.I.Vershinin, N.A. Makarov // Research & Reviews: Journal of Material Sciences. - 2018. - V. 6. - P. 70.

167. Вершинин, Д.И. Низкотемпературная керамика Li2Zn3Ti4O12 c добавкой в системе Li2O-B2O3-SiO2 / Д.И. Вершинин, И.Н. Хусаинов, Н.А. Макаров // Стекло и керамика. - 2020. - № 2. С. 8-12.

168. Вершинин, Д.И. Синтез и свойства керамики на основе Ь^п3Тц012 со спекающей добавкой системы Ы20-В203-ЗЮ2 для технологии ЬТСС / Д.И. Вершинин, И.Н. Хусаинов, Н.А. Макаров // Неорганические материалы. - 2021. - Т. 57. - № 9. С. 978-985.

169. Вершинин, Д.И. Керамика в системе Li2O-ZnO-TiO2 с добавкой эвтектического состава / Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров // Успехи в химии и химической технологии. - 2016. - Т. 30. - № 5. С. 30-32.

170. Крыльцов, И.С. Керамические материалы в системе оксидов Ы20^п0-ТЮ2 с добавками эвтектического состава / И.С. Крыльцов, Д.И. Вершинин, И.Н. Хусаинов, Н.А. Макаров // Успехи в химии и химической технологии. - 2018. - Т. 32. - № 5. С. 103-105.

171. Хусаинов, И.Н. Керамика в системе Ы20^п0-ТЮ2 с добавкой Ы20В203^Ю2 / И.Н. Хусаинов, Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров // Успехи в химии и химической технологии. - 2019. - Т. 33. - № 5. С. 138-140.

172. Хусаинов, И.Н. Керамические диэлектрики в системе Ы20^п0-ТЮ2 со спекающей добавкой Li2O-B2O3-SiO2 / И.Н. Хусаинов, Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров // Успехи в химии и химической технологии. -2021. - Т. 35. - № 4. С. 114-116.

173. Вершинин, Д.И. Низкотемпературная керамика в системе Ы20^п0-ТЮ2 /Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров // Труды Кольского научного центра РАН, серия Химия и материаловедение. - 2018. - Т. 2. С. 570-575.

174. Вершинин, Д.И. Влияние эвтектической добавки Ы20-В203^Ю2 на свойства керамики в системе Ы20^п0-ТЮ2 / Д.И. Вершинин, И.Н. Хусаинов, Н.А. Макаров // Труды Кольского научного центра РАН. -2019. - Т. 1. С. 394-399.

175. Вершинин, Д.И. Керамика в системе Li2O-ZnO-TiO2 с добавкой эвтектического состава. / Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров // Сб. тр. XI МНТК «Современные методы и технологии создания и обработки материалов». Кн. 1 «Материаловедение». - Минск: 2016. - Т. 1. С. 287-289.

176. Вершинин, Д.И. Керамические диэлектрики в системе Ы20^п0-ТЮ2 для LTCC технологии / Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров // Сб. тр. XII МНТК «Современные методы и технологии создания и обработки материалов». Кн. 1 «Материаловедение». - Минск: 2017. - Т. 1. С. 34-39.

177. Вершинин, Д.И. Влияние эвтектической добавки Li2O-B2O3-SiO2 на спекание и диэлектрические свойства керамики в системе Li2O-ZnO-TiO2 / Д.И. Вершинин, И.Н. Хусаинов, Н.А. Макаров // Сб. тез. XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Санкт-Петербург. -2019. - Т. 2. - С. 123.

178. Хусаинов, И.Н. Низкотемпературная керамика Li2Zn3Ti4O12 с добавкой в системе Li2O-B2O3-SiO2 /И.Н. Хусаинов, Д.И. Вершинин // Сб. тезисов. ХХХ Менделеевской конференции молодых ученых. Москва.

- 2020 г. - С. 72.

179. Вершинин, Д.И. Влияние спекающей добавки в системе Ы20-В203^Ю2 на температуру спекания и свойства керамики Ы20-37п0-4ТЮ2 / Д.И. Вершинин, Н.А. Макаров, И.М. Артемкина, В.В. Анисимов, И.Н. Хусаинов // Сб. науч. тр. «Современные методы и технологии создания и обработки материалов»: Кн. 1. Материаловедение. Минск: ФТИ НАН Беларуси. - 2020. С. 180-187.

180. Вершинин, Д.И. Спекание и свойства низкотемпературной керамики на основе Li2Zn3Ti4O12 с эвтектической добавкой в системе Ы20-В203^Ю2. / Д.И. Вершинин, И.Н. Хусаинов, Ю.А. Пономарева, Н.А. Макаров // «Химия и химическая технология в XXI веке»: сб. матер. XXII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 125-летию со дня основания Томского политехнического университета. Томск: Изд-во Томского политехнического университета.

- 2021. - Т.1. С. 43-44.

181. Кикоин, И.К. Таблицы физических величин: справочник / И.К. Кикоин - Москва: Атомиздат, 1976. - 1008 с.