Ceramic-polymer composites for microwave applications

• Autorzy: Szafran M. , Bogdańska B. , Bobryk E. , Jaszczyszyn E. , Derzakowski K.

Warianty tytułu

PL

Kompozyty ceramiczno-polimerowe do zastosowań mikrofalowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ceramic-polymer composites with ferroelectric properties provide significant opportunities in the design and manufacture of modern electronic materials whose functional characteristics are constantly being improved. Barium titanate (BT) and barium strontium titanate (BST) are known and widely used materials in electronics. The paper presents the results of research on a receiving ceramic-polymer composite with an as low as possible permittivity and loss tangent. As a ceramic fraction barium-strontium titanate (BST) with various dopants (Fe2O3, Ni2O3, La2O3, SnO2 and Y2O3) were tested and as an organic one - water dispersions of styrene-acrylic polymers. The influence of BST doped with metal oxides on the sintering process was observed. X-ray diffraction patterns were made for sintered powders while the Vickers hardness, relative density and volume shrinkage of sintered pellets were studied. The zeta potential as a function of pH for pure BST and doped with Ni2O3 were measured. BST doped with Ni2O3 had the best relative density and this powder was used for further research. For the aqueous tape casting method four water dispersions of polymers with different concentrations and structures as binders were tested. For these polymers heat flow as a function of temperature by differential scanning calorimetry (DSC) and the glass transition temperature were measured. Additionally, the concentration of water dispersion of the polymers was tested by the gravimetric method. For the obtained ceramic - polymer composites, the relative permittivity and loss tangent were measured at a 9 GHz frequency.

PL

Kompozyty ceramiczno-polimerowe o właściwościach ferroelektrycznych dają znaczne możliwości przy projektowaniu i wytwarzaniu nowoczesnych materiałów elektronicznych o nowych i wciąż udoskonalanych cechach użytkowych. Znanym od lat i powszechnie stosowanym materiałem w elektronice jest tytanian baru (BT) oraz tytanian barowo-strontowy (BST). Domieszkowanie BST tlenkami metali powoduje zmianę parametrów elektrycznych (np. przenikalności dielektrycznej, tangensa kąta strat) oraz fizycznych (twardości, zagęszczenia). W niniejszej pracy badano wpływ domieszek (Fe2O3, Ni2O3, La2O3, SnO2 i Y2O3) na proces spiekania BST w zakresie 1200÷1400°C. Przeprowadzono analizę rentgenograficzną otrzymanych proszków, a także zbadano mikrotwardość Vickersa, względne zagęszczenie spieków oraz ich skurczliwość objętościową. Wykonano pomiary potencjału zeta w funkcji pH dla czystego BST oraz domieszkowanego 2 i 8% mol Ni2O3. Na podstawie otrzymanych wyników wybrano proszek o najlepszym zagęszczeniu (BST + 5% mol Ni2O3) i dobrano spoiwo polimerowe oraz upłynniacz, aby otrzymać gęstwę odpowiednią do odlania folii metodą aqueous tape casting. Istotne było dobranie polimerów obniżających lub niewpływających znacząco na wartość względnej przenikalności dielektrycznej, ponieważ po procesie formowania folia nie była już spiekana. Badano wodne dyspersje polimerów styrenowo-akrylowych o różnych stężeniach, które wyznaczono metodą wagową. Wykonano pomiary zmiany strumienia ciepła w funkcji temperatury metodą skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC) i na podstawie tej zależności wyznaczono temperaturę zeszklenia analizowanych polimerów. Uzyskane kompozyty ceramiczno-polimerowe o różnych zawartościach proszku ceramicznego (60 i 55%) oraz różnych ilościach domieszek (2, 5 i 8% mol) poddano badaniom względnej przenikalności dielektrycznej oraz tangensa kąta strat przy częstotliwości 9 GHz.

Słowa kluczowe

EN

ceramic-polymer composites; barium strontium titanate; aqueous tape casting; microwave frequency

PL

kompozyty ceramiczno-polimerowe; tytanian barowo-strontowy; aqueous tape casting; częstotliwości mikrofalowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 1
• Strony: 9--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szafran M.

autor

Bogdańska B.

autor

Bobryk E.

autor

Jaszczyszyn E.

autor

Derzakowski K.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, ul. Noakowskiego 3, 00-665 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Domenico M.D., Johnson D.A., Pantell R.H., Journal of Applied Physics 1697, 196, 233.
• [2] Tangantsev A.K., Sherman V.O., Astafiev K.F., Venkatesh J., Setter N., Ferroelectric materials for microwave tunable applications, Journal of Electroceramics 2003, 11, 5-66.
• [3] Nakayama A., Yoshikawa H., Observation of dielectric dispersion of BaTiO3 ceramics in gigahertz frequency region by scattering parameter measurement using a pair of surface electrodes, Applied Physics Letters 2009, 95, 072904.
• [4] Szafran M., Bobryk E., Jaszczyszyn E., Modelski J., Kompozyty ceramiczno-polimerowe dla zastosowań mikrofalowych, Polish Ceramic Biulletin, Ceramics 2003, 79, 203- -211.
• [5] Tao Hu, Jari Juuti, Heli Jantunen, Taisto Vilkman, Dielectric properties of BST/polymer composite, Journal of European Ceramic Society 2007, 27, 3997-4001.
• [6] Tao Hu, Jari Juuti, Heli Jantunen, RF properties of BSTPPS, Journal of European Ceramic Society 2007, 27, 2923-2926.
• [7] Bogdańska B., Synteza tytanianu barowo-strontowego do zastosowań mikrofalowych, Praca inżynierska na Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012.
• [8] Givot B.L., Krupka J., Derzakowski K., Split-post dielectric resonator for complex permittivity measurements at 20-25 GHz, 14th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications MIKON-2002, Gdańsk 2002, May 20-22, 401-403.
• [9] Jacob M., Krupka J., Derzakowski K., Mazierska J., Measurements of Thin Polymer Films Employing Split Post Dielectric Resonator Technique, 16th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications MIKON-2006, Kraków 2006, May 22 24, 229-232.