加速器用低损耗铁电材料的制备及结构性能研究

铁电材料在高梯度加速器中有广阔的应用前景，包括直线对撞机的大功率微波开关，电控移相器及介质加速器结构的调谐层，但现有的铁电材料存在介电常数大，介电损耗高的缺点。为探索满足加速器应用需要的新材料，本项目采用不同低损耗线性介电材料及组合与钛酸锶钡复合，形成多相复合物，来降低钛酸锶钡的介电常数和介电损耗，保持较高的调谐率。研究不同介电材料及组合对钛酸锶钡的介电特性和结构的影响规律，探索铁电-介电复合材料的结构-性能间的关系以及介电常数、介电损耗和调谐率间的相互关系，研究解决介电常数、介电损耗和调谐率矛盾的有效途径。通过本项目的研究，期望获得适合加速器应用的具有我国自主知识产权的低介电损耗铁电材料，为促进高能粒子物理的研究作出贡献；还可用于相控阵雷达和通讯系统；丰富铁电材料理论。

铁电材料在高梯度加速器中有广阔的应用前景，包括直线对撞机的大功率微波开关，电控移相器及介质加速器结构的调谐层，但现有的铁电材料存在介电常数大，介电损耗高的缺点。本项目系统研究了BST-MgO-Mg2SiO4和BST-MgO-Mg2TiO4体系的微结构和介电调谐性能。. 对于BST-MgO-Mg2SiO4体系，铁电(BST)-介电(MgO-Mg2SiO4)复合物形成。MgO加入可以抑制BST和Mg2SiO4反应形成Ba2(TiO)(Si2O7)。固定BST含量不变，增加Mg2SiO4含量而减少MgO含量，复合物的介电常数降低，居里温度Tc的变化与BST中Ba含量有关。当Ba含量为0.55和0.5时，调谐率和介电常数的间出现一种反常的关系：随Mg2SiO4含量增加，介电常数减小，而调谐率增加，对调谐应用非常有利，克服了二元体系中增加线性介质含量来降低BST介电常数而导致的调谐率下降的困难。调谐率的反常增加可归因于电场的重新分布。50Ba0.5Sr0.5TiO3-(50-x)MgO-xMg2SiO4的介电常数从 164.2降低到126.5，而 3.9kV/mm下的调谐率从11.5%增加到15.2%。Mn掺杂可以降低BST-MgO-Mg2SiO4的微波介电损耗而略微增加其调谐率。. 对于BST-MgO-Mg2TiO4体系，铁电(BST)-介电(MgO-Mg2TiO4)复合物形成。MgO加入可以抑制BST和Mg2TiO4反应形成BaMg6Ti6O19。固定BST含量不变，增加Mg2TiO4含量而减少MgO含量，复合物的介电常数和调谐率增加，Qf值降低，居里温度Tc向高温方向移动，介电常数温度稳定性改善。40Ba0.5Sr0.5TiO3-(60-x)MgO-xMg2TiO4的介电常数从123.0增加到156.5，3.9kV/mm下的调谐率从14.4%增加到28.5%。Mn和ZnO掺杂可以改善BST-MgO-Mg2TiO4微波介电性能。本项目获得了优异性能的铁电材料：介电常数=165.6，Qf=1012.5GHz，调谐率(2.8kV/mm)=9.1%，能够满足加速器应用的要求。