在MgZr??xHf?Nb?O?固溶体微波陶瓷中实现了超低损耗

采用固态反应法制备了MgZr1-xHf=xNb2O8陶瓷，通过P-V-L理论系统研究了微波介电性能与微观结构的关系。XRD分析表明样品为单相窝夫石结构，Hf^4+取代Zr^4+导致晶胞体积收缩，致密度提升。当x=0.15时，陶瓷在1325℃烧结达到最佳性能：εr=24.7，Qf=109000 GHz，τf=-38 ppm/°C。

　　

吴晓康|赖远明|张林桥|向平文|刘峰|孙尧|冉海洲|宋家伟|刘倩|吴重胜|李远勋

成都理工大学机械与电气工程学院，中国成都610059

摘要

通过传统的固态反应合成了一系列MgZr_1-xHf_xNb₂O₈陶瓷。利用复杂的化学键理论（P-V-L理论）系统地阐明了它们的微波介电性能与微观结构之间的关系。XRD分析确认所得陶瓷为单相固溶体，结晶结构属于钨华型。Hf⁴⁺的半径较小导致晶胞体积收缩。引入Hf⁴⁺离子有效增强了MgZrNb₂O₈陶瓷的致密化性能。介电常数（ε_r）受极化率和致密化程度的影响。同时，Hf⁴⁺的替代增强了Nb⁵⁺O键的离子性，从而提高了ε_r。优异的品质因数（Q_f）归因于总晶格能量的提高和相对密度的增加。共振频率温度系数（τ_f）受Nb⁵⁺O键价态的影响。在1325°C烧结的x=0.15样品表现出最佳的微波介电性能，其ε_r为24.7，Q_f为109,000 GHz，τ_f为-38 ppm/°C。

引言

微波介电材料对下一代无线技术至关重要，因此需要不断提高其性能。滤波器和介电谐振器等组件的关键要求包括具有合适的介电常数（ε_r）、高品质因数（Q_f）和接近零的共振频率温度系数（τ_f）。然而，许多微波介电陶瓷的实际应用受到Q_f不足或τ_f较差的限制。因此，改善这些性能是当前研究的重点[1]、[2]、[3]、[4]。

MgZrNb₂O₈陶瓷展现出良好的整体微波介电性能，其Q_f为58,500 GHz，τ_f为-31.5 ppm/°C[5]。然而，相对较低的Q_f和负的τ_f限制了其独立应用。通过离子替代策略调整晶体结构以优化这些性能[6]。采用不同的优化方法，MgZrNb₂O₈系统的Q_f值逐步提高。在Mg_0.98Co_0.02ZrNb₂O₈中，通过密集的晶格排列实现了Q_f为70,709 GHz（τ_f为-46.09 ppm/°C[7]）。进一步通过增强晶格能量，Mg_0.92Ni_0.08ZrNb₂O₈的Q_f值提升至74,534 GHz（τ_f为-49.11 ppm/°C[8]。通过调节MgZr_0.8Ge_0.2Nb₂O₈的晶格排列比例，Q_f值达到80,493 GHz（τ_f为-51.95 ppm/°C[9]）。

在先前的研究中，Mg(Ti_1-xHf_x)O₃获得了非常高的Q_f（336,829 GHz）[10]。Ba₄Sm_9.33Ti_18-zHf_zO₅₄表现出优异的温度稳定性（-4.6 ppm/°C）[11]。在本研究中，我们制备了MgZr_1-xHf_xNb₂O₈陶瓷（x=0.00, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20）。Hf⁴⁺的半径（R=0.71 ?）与Zr⁴⁺的半径（R=0.72 ?）相似[12]，使得Hf⁴⁺能够容易地替代Zr⁴⁺而不引起显著的相变。本工作旨在通过P-V-L理论探讨Hf⁴⁺替代对相组成、晶体结构和微波介电性能的影响。

实验步骤

采用传统的固态反应方法合成MgZr_1-xHf_xNb₂O₈陶瓷。原料包括纯度为98%的MgO、99%的ZrO₂、99%的HfO₂和99%的Nb₂O₅。使用分析天平精确称量原料（精度：±0.0001 g）。为获得均匀混合物，将粉末在去离子水中用氧化锆球球磨（300 r/min，4 h），然后在100°C下干燥浆料。干燥后的混合粉末在1200°C下煅烧

结果与讨论

图1(a)显示了1325°C下MgZr_1-xHf_xNb₂O₈（0 ≤ x ≤ 0.2）的XRD图谱。XRD数据与MgZrNb₂O₈（ICDD#48–0329）一致。图1(b)展示了放大的XRD图谱。随着Hf⁴⁺含量的增加，主峰略微向更高角度移动。与Zr⁴⁺（R=0.72 ?）相比，Hf⁴⁺（R=0.71 ?）的较小半径占据了Zr⁴⁺的位置。离子半径的差异（|R_a-R_b|/R_b）不超过15%时不会引发相变[13]。

结论

通过固态反应方法制备了MgZr_1-xHf_xNb₂O₈陶瓷，并研究了其微波介电性能与化学键之间的关系。ε_r取决于极化率、Nb⁵⁺O键的离子性（f_i）和相对密度。Q_f受晶格能量和相对密度的影响。τ_f受Nb⁵⁺O键价态的影响。在1325°C烧结的MgZr_0.85Hf_0.15Nb₂O₈陶瓷表现出最佳性能

CRediT作者贡献声明

吴晓康：撰写 – 审稿与编辑。赖远明：项目管理。张林桥：验证。向平文：研究。刘峰：方法论。孙尧：概念设计。冉海洲：概念设计。宋家伟：概念设计。刘倩：数据整理。吴重胜：可视化。李远勋：资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国博士后科学基金（编号2025M770533）、四川省科技计划（编号2023YFQ0082、2024NSFTD0052、2024YFG0011、2024ZHCG0174、2025ZHCG0019）、成都市科技计划（编号2023-GH02-00061-HZ）以及“赣州公开招标选拔最佳候选人”项目的支持。

吴晓康是中国成都理工大学电气与机械工程学院的硕士研究生，目前的研究兴趣集中在微波介电陶瓷领域。