我校教师团队在先进陶瓷材料领域顶级期刊发表学术论文

本网讯（材料科学与工程学院 刘钰影）近日，我校材料科学与工程学院李月明教授团队在先进陶瓷材料领域顶级期刊《Journal of Advanced Ceramics》（中科院1区top，IF = 16.6，CiteScore = 25.9）上发表了题为《Enhancing Microwave dielectric properties of Li₂TiO₃ceramics via monoclinic–cubic phase transition control》的研究性论文。材料科学与工程学院2023级材料与化工硕士研究生王祖伟为第一作者，郭欢欢老师与李月明老师为论文通讯作者，景德镇陶瓷大学为第一署名单位。

随着5.5G（5G-Advanced）的加速部署，无线通信网络正迈向“下行万兆、上行千兆”的新时代，进一步推动了高性能、轻量化介质滤波器和天线的需求增长。在此背景下，钛酸锂（β-Li₂TiO₃，LTO）基微波介质陶瓷因合成简单、原料丰富、密度低等优势，被认为是极具应用潜力的材料。然而，其本征性能仍存在不足：较低的Q×f值会导致器件插入损耗增加，而较大的正谐振频率温度系数（TCF）则难以保证在宽温范围内的频率稳定性。

为突破上述性能瓶颈，现有研究主要采用复合陶瓷和离子取代两种策略。复合方法虽可通过温度系数补偿调控TCF，但面临烧结匹配、界面效应等问题，且易引入缺陷、增加损耗。相比之下，离子取代通过诱导结构转变，在性能调控方面更具优势。尽管其有效性已得到验证，但取代如何精确调控相变，以及相变与微波介电性能之间的关系仍不清晰。揭示这一内在关联，对于定向设计高性能LTO基微波介质陶瓷材料至关重要。

该研究通过在钛酸锂体系中引入Sc/Nb协同取代（Li₂Ti_1-x(Sc_1/2Nb_1/2)_xO₃，LTSN_x），实现了对单斜–立方相变行为的精准调控，并揭示了由单斜相经双相区向立方相演化的结构转变路径。原位高温XRD和Raman表征表明，Sc/Nb协同取代显著降低了材料的相变温度（纯LTO约为1200 °C），并伴随晶格畸变，有效抑制了高温相向低温相的逆转变，从而在室温下实现立方相的保留。利用立方相的负温度系数与单斜相的正温度系数相互补偿，材料表现出优异的温度稳定性。同时，低取代量诱导的超结构重构与缺陷抑制协同作用，有效降低了介电损耗。优化组分LTSN_0.25表现出优异的微波介电性能：介电常数为18.6，Q×f值高达102,330 GHz，TCF接近零（−2.3 ppm/°C）。此外，其稳定的太赫兹响应及滤波器仿真结果表明，该材料在5.5G射频器件中具有良好的应用前景。

图1相变调控实现LTO陶瓷微波介电性能提升的示意图

图2LTSN_x陶瓷的相变行为研究：(a)LTSN_x陶瓷（0 ≤x≤ 0.5）的X射线衍射（XRD）图谱；(b, c)LTSN_x陶瓷的拉曼光谱；(d)LTSN_0.25陶瓷的原位高温XRD图谱；(e, f)分别为LTO和LTSN_0.25陶瓷的原位高温拉曼光谱。

图3LTSNx陶瓷微观结构演化的EBSD分析：(a)成分变化驱动的结构演化示意图；(b)LTSN_0.25陶瓷的背散射电子（BSE）图像及(c-f)EDS元素分布图；(g-i)LTSN_x陶瓷（x= 0, 0.25, 0.5）的电子背散射衍射（EBSD）相图；(j-l)几何必要位错（GND）密度图；(m, n)LTSN_x陶瓷（x= 0, 0.5）的晶粒取向图。

图4LTSN_0.1陶瓷的TEM表征：(a) TEM图像；(b) SAED模式；(c) HRTEM图像及(d)衍射区域Ⅰ沿[827]晶带轴对应的FFT图像；(e-h)区域Ⅱ沿[001]晶带轴的相应分析；(i)模拟SAED模式；(j, k)沿相应晶带轴观察的晶体结构模型。

图5 LTSNx陶瓷的微波介电性能：(a) TCF，(b)ε_r和(c)Q×f值随x（0 ≤x≤ 0.5）的变化；(d)x= 0、0.1、0.25、0.5样品的热膨胀系数（CTE）曲线；(e)高分辨率O 1s XPS谱及(f)x= 0、0.1、0.25样品的拟合带隙值；(g) THz频段的介电常数实部（ε′）和(h)介电损耗（tanδ）（x= 0、0.1、0.25）；(i) LTSN_x陶瓷与其他代表性K20陶瓷的微波介电性能对比。

（责任编辑：刘欢 审稿：刘小清 刘欢）