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低温烧结Mg_4Nb_2O_9微波介质陶瓷及其介电性能表征

作　者: 吴怡
导　师: 刘鹏
学　校: 陕西师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: Mg4Nb2O9 微波介质陶瓷 微波介电性能 低温烧结 相对介电常数 品质因数 谐振频率温度系数
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


近年来,低温共烧陶瓷(LTCC)因为可以减少通信系统中电子元件的尺寸、实现集成而被广泛关注。同时具有低介(≤25)、高Q值(>10000 GHz)的微波介质陶瓷材料由于减少微波器件中信号的延迟和减少基板对信号的吸收作用,已成为近年来的研究焦点。Mg4Nb2O9微波介质陶瓷是一种具有刚玉结构的微波介电材料,它具有良好的微波介电性能：低的介电常数(εr=12.8)和高的品质因数(Q×f=190000 GHz)。然而,Mg4Nb2O9较高的烧结温度(>1400℃)和较大的温度谐振频率系数(τf=-77 ppm/℃)限制了它的商业化应用。为了降低Mg4Nb2O9陶瓷的烧结温度,本文通过添加低熔点氧化物和低熔点玻璃来降低其烧结温度,研究了烧结助剂添加量对Mg4Nb2O9陶瓷的烧结性能、相结构、显微结构和微波介电性能的影响。得到了以下结论：(1)掺杂20 wt% TiO2和x wt% LiF(1.0≤x≤8.0)可以有效地将Mg4Nb2O9陶瓷的烧结温度由1400℃降至750℃,这是由于在烧结过程中,LiF和纳米TiO2 (80 nm)所形成的低共熔物在晶界处起着液相助烧作用,其中离子取代和化学反应通过晶格扩散或界面迁移给MN粉末提供了良好的润湿环境,使离子扩散速率大幅提高,烧结速率加快。实验表明：Mg4Nb2O9添加20 wt% TiO2和8.0 wt%LiF陶瓷的晶粒尺寸随烧结温度的升高而长大,其中MgTiO3的形成对Mg4Nb2O9陶瓷的微波介电性能有很大的影响。所有样品都在800℃表现出最佳密度,这与品质因数Q×f的最大值32000 GHz和相对介电常数εr的最大值15.7相对应。晶格缺陷、气孔和第二相对MNT陶瓷介电损耗的影响要大于晶界。MN-20 wt% TiO2-8.0 wt% LiF陶瓷750℃烧结表现最佳微波介电性能：εr=15.6,Q×f=25000 GHz,τf=-56 ppm/℃。该陶瓷材料与Ag有很好的化学兼容性。(2)采用标准陶瓷工艺制备了掺杂PbO-B2O3-SiO2 (PBS)玻璃的Mg4Nb2O9微波介质陶瓷,研究了PBS掺杂对Mg4Nb2O9微波介质陶瓷烧结行为、相结构、显微结构和微波介电性能的影响。实验结果表明PBS的掺杂可以有效的改进Mg4Nb2O9陶瓷的谐振频率温度系数τf值,这与添加PbO-B2O3-SiO2后样品中第二相Pb1.5Nb2O6.5的形成有关。当PbO-B2O3-SiO2的添加量为4.0 wt%的时候,Mg4Nb2O9微波介质陶瓷的烧结温度降低至975℃,从而实现Mg4Nb2O9在低温下的致密化烧结,并具有良好的微波介电性能(εr=13.8, Q×f=37 382GHz,τf=-16.9ppm/℃),有望成为新一代低温烧结基板材料。(3)合成制备了0.6 MN-0.4 SrTiO3 (MNS)微波介质陶瓷,研究了不同含量LiF掺杂对MNS陶瓷烧结行为、相结构、显微结构和微波介电性能的影响。实验结果表明,一定量LiF和SrTiO3的共同掺杂在MN陶瓷中形成第二相Sr(Mg1/3Nb2/3)O3。添加7.0 wt%的LiF可以有效的促使MNS陶瓷在低温下(800℃)的致密化烧结。气孔率是影响该陶瓷介电常数变化的主要原因,第二相Sr(Mg1/3Nb2/3)O3对MN陶瓷的Q×f值与τf值影响比较大。MNS陶瓷添加7.0 wt%的LiF在800℃烧结的微波介电性能为εr=26.5,Q×f=6 073 GHz,τf=-12 ppm/℃。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-23
  1.1 微波介质陶瓷简介  9-10
  1.2 微波介质陶瓷的介电性能  10-13
    1.2.1 介电常数  10-11
    1.2.2 介电损耗(品质因数)  11-12
    1.2.3 谐振频率温度系数  12-13
  1.3 材料显微结构与微波介电性能  13-16
    1.3.1 相组成对微波介质材料的影响下  13-14
    1.3.2 晶粒尺寸对微波介质材料的影响  14
    1.3.3 气孔微波介质材料的影响  14-15
    1.3.4 微裂纹对微波介质材料的影响  15
    1.3.5 杂质对微波介质材料的影响  15-16
  1.4 微波介质陶瓷体系的分类  16-17
  1.5 微波介质陶瓷的发展趋势  17-21
    1.5.1 LTCC微波介质陶瓷降温途径  19
    1.5.2 LTCC微波介质陶瓷降温机制  19-21
  1.6 本论文的研究意义及任务  21-23
    1.6.1 Mg_4Nb_2O_9微波介质陶瓷简介  21-22
    1.6.2 本文的研究内容  22-23
第2章 Mg_4Nb_2O_9微波介质陶瓷的制备工艺及性能表征  23-33
  2.1 Mg_4Nb_2O_9微波介质陶瓷的制备过程  23-28
    2.1.1 实验所用原料  23-24
    2.1.2 样品的制备工艺流程与工艺参数  24-28
  2.2 Mg_4Nb_2O_9微波介质陶瓷的性能及其表征  28-30
    2.2.1 烧结性能的表征  28-29
    2.2.2 材料结构的表征  29
    2.2.3 介电性能的测试分析  29-30
  2.3 微波介质陶瓷的复合调节改性  30-31
  2.4 本章小结  31-33
第3章 添加TiO_2和LiF对Mg_4Nb_2O_9陶瓷的制备与性能的研究  33-43
  3.1 引言  33
  3.2 陶瓷样品制备  33-34
  3.3 样品的性能研究  34-41
    3.3.1 样品的烧结特性与物相分析  34-37
    3.3.2 样品的显微组织结构与介电性能表征  37-41
  3.4 本章小结  41-43
第4章 PbO-B_2O_3-SiO_2玻璃对Mg_4Nb_2O_9微波介质陶瓷的烧结特性及介电性能的影响  43-49
  4.1 引言  43
  4.2 陶瓷样品的制备  43
  4.3 陶瓷的结构与性能研究  43-48
    4.3.1 陶瓷的相结构及显微组织  43-45
    4.3.2 陶瓷的密度与微波介电性能  45-48
  4.4 本章小结  48-49
第5章 SrTiO_3和LiF添加对Mg_4Nb_2O_9微波介质陶瓷的烧结特性及介电性能的影响  49-57
  5.1 引言  49
  5.2 陶瓷样品的制备  49-50
  5.3 陶瓷的结构与性能研究  50-55
    5.3.1 相结构和显微组织  50-52
    5.3.2 密度及介电性能表征  52-55
  5.4 本章小结  55-57
第6章 结论  57-59
参考文献  59-67
致谢  67-69
攻读硕士学位期间科研成果  69

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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