【摘 要】
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YIG铁氧体由于电阻率高、旋磁特性好、品质因数高、温度稳定性好等优点,在微波雷达和卫星通讯中得到了广泛的应用。机械加工和胶粘、金属钎焊等传统连接方法均不能满足结构复杂YIG铁氧体器件的制备要求,亟需兼具可靠性和功能性的高质量连接方法。本文以YIG铁氧体连接结构可靠性和电磁功能匹配性为出发点,提出采用磁性微晶玻璃钎料连接YIG铁氧体。设计制备了铋硼镍铁四元玻璃钎料,研究了玻璃性能与成分的关系、析晶行
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YIG铁氧体由于电阻率高、旋磁特性好、品质因数高、温度稳定性好等优点,在微波雷达和卫星通讯中得到了广泛的应用。机械加工和胶粘、金属钎焊等传统连接方法均不能满足结构复杂YIG铁氧体器件的制备要求,亟需兼具可靠性和功能性的高质量连接方法。本文以YIG铁氧体连接结构可靠性和电磁功能匹配性为出发点,提出采用磁性微晶玻璃钎料连接YIG铁氧体。设计制备了铋硼镍铁四元玻璃钎料,研究了玻璃性能与成分的关系、析晶行为及其对微晶玻璃性能的影响,分析了连接工艺及钎料成分对连接接头微观组织、剪切强度、介电性能和磁性能的影响规律,研究了YIG铁氧体连接机理及接头形成机制。首先通过熔融-淬冷法制得铋硼镍铁四元玻璃钎料,根据成分中Ni和Fe含量不同分别命名为BBN10、BBN15、BBN18。研究表明,Ni O和Fe2O3的添加促使玻璃网络中[BO4]向[BO3]转变,影响玻璃的特征温度和介电性能。制备态玻璃钎料在热处理中可以析出Ni2Fe O4和Bi3BO6,Ni2Fe O4可在保温过程中转变为Ni Fe2O4,而Ni2Fe O4和Ni Fe2O4的形成对微晶玻璃的介电和磁性能有重要影响。三种玻璃钎料均能润湿母材并形成良好界面结合。在钎料性能研究及润湿试验基础上,使用铋硼镍铁玻璃钎料连接YIG铁氧体,研究连接工艺对接头微观组织和力学性能的影响。BBN10连接YIG接头的形成可分为初始、析晶、界面结合、组织演化和界面恶化五个阶段,焊缝内析出针状Ni2Fe O4和Bi BO3,Ni2Fe O4在Fe3+浓度足够时将转变为Ni Fe2O4,Bi BO3的尺寸和形状与Ni2Fe O4和Ni2Fe O4数量有关;界面形成YBO3和Fe2O3,YBO3的数量和形态随温度和保温时间而变化,Fe2O3则与Ni Fe2O4存在竞争性生长关系。剪切强度随连接温度升高先升高后下降,在750℃保温30min时达到最大79MPa,随保温时间延长先升高后下降,但变化幅度不大。BBN15连接YIG接头的形成可分为初始、析晶、界面结合三个阶段,升温过程中焊缝内析出的Ni2Fe O4很快转变为Ni Fe2O4并在高温下聚集长大,高温下界面产生YFe3B4O12。BBN15连接YIG铁氧体接头剪切强度随连接温度先升高后降低,当连接温度为750℃时获得最高强度76MPa。BBN18连接YIG接头的形成可分为初始、析晶、界面结合、组织演变四个阶段,由于Al在制备过程中融入玻璃钎料,Al3+取代了Ni Fe2O4和YFe3B4O12中的Fe3+并促进了它们的生长。BBN18连接YIG铁氧体接头剪切强度随连接温度先升高后降低,在750℃时获得最高强度71MPa。此外还研究了连接工艺对BBN10连接YIG接头介电性能和磁性能的影响,连接温度和保温时间通过调整焊缝宽度、焊缝内晶体数量影响接头介电性能和磁性能。介电性能方面,接头呈现典型松弛型电介质特点,随频率升高介电常数逐渐降低,介电损耗先降低后迅速升高。随着连接温度升高,接头介电常数先升高(700~725℃)后降低(725~800℃)再升高(800~825℃),低频区介电损耗增加;随着保温时间延长,接头介电常数降低,介电损耗减小。磁性能方面,接头单位质量磁化强度随温度升高和保温时间延长而提高,825℃保温30min接头与母材磁化强度差别小于10%,750℃保温45min接头与母材磁化强度差别小于15%。
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