论文部分内容阅读
近年来,人工智能、物联网、大数据等新兴技术发展迅速,微波通信设备趋向于高集成度、小型化、高稳定性和低成本发展。为了满足现代通信微波电路的需要,对具有低介电常数（εr）、高品质因数（Q×f）、近零谐振频率温度系数（τf）微波介质陶瓷材料提出更高的要求。硅基微波介质陶瓷因具有低介、高品质因数且原料易获取、资源丰富、廉价等优势得到了广泛研究。为了探索具有应用价值的新型低介微波介质陶瓷,在本论文中,我们采用传统固相法制备了Ca3M2Si3O12（M=Yb、Y）与Ca2B2CO7（B=Al、Ga;C=Si、Ge）微波介质陶瓷。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、离子极化率、堆积率、键价理论、远红外反射光谱等对陶瓷样品的物相组成、晶体结构、微观形貌与微波介电性能进行了探究。主要研究结果如下:（1）首先,通过传统固相合成法得到了正交结构（pnma）的Ca3M2Si3O12（M=Yb、Y）陶瓷。其中在1420℃烧结的Ca3Yb2Si3O12陶瓷相对密度为86.5%,其微波介电性能为εr=7.2、Q×f=21,037 GHz、τf=-64.1 ppm/℃;在1400℃烧结的Ca3Y2Si3O12陶瓷相对密度为87.2%,其微波介电性能为εr=7.4、Q×f=12,255GHz、τf=-68.7 ppm/℃。为了提高以上两种陶瓷的致密度,采用高能球磨工艺对该陶瓷的制备进行了进一步研究。高能球磨工艺得到的预处理粉末与普通球磨相比具有更小的平均粒径,在该工艺下,Ca3Yb2Si3O12陶瓷的最佳烧结温度降低至1260℃,相对密度及微波介电性能提升至98.36%、εr=9.2、Q×f=56,400 GHz、τf=-77.5 ppm/℃;Ca3Y2Si3O12陶瓷的最佳烧结温度降低至1240℃,相对密度及微波介电性能提升至94.6%、εr=8.7、Q×f=29,094 GHz、τf=-76.9 ppm/℃。通过远红外反射光谱分析,Ca3Yb2Si3O12与Ca3Y2Si3O12陶瓷在微波段的外推本征介电常数分别为8.9与9.0;由本征介电损耗推算的品质因数分别为79,815 GHz与33,470 GHz。其中在50-400 cm-1低频范围的介电极化贡献分别为5.57和6.32,占50-1000 cm-1波数内介电常数外推值的85.3%及89%。（2）Ca3Yb2Si3O12陶瓷具有较大的谐振频率温度系数,阻碍其直接应用于微波器件领域。目前调节谐振频率温度系数的方式主要分为:通过改变离子类型及比例、形成固溶体、将两种具有正反τf值的材料进行复合。本文采用最常用的两相复合的方式对Ca3Yb2Si3O12陶瓷的τf值进行调节,通过调控Ca3Yb2Si3O12陶瓷与Ca TiO3的比例得到了系列不同温度系数的（1-x）Ca3Yb2Si3O12-x Ca TiO3复合陶瓷。其中,0.91Ca3Yb2Si3O12‐0.09Ca TiO3陶瓷在1240°C下具有最佳的微波介电性能:εr=12.93、Q×f=26,729 GHz、τf=+2.9 ppm/℃。（3）采用传统固相合成法制备得到系列具有四方黄长石结构的Ca2B2CO7（B=Al,Ga;C=Si,Ge）陶瓷。Ca2Ga2SiO7陶瓷在1360°C下的相对密度高达98.5%,微波介电性能为εr=10.3、Q×f=30,413 GHz、τf=-12.1 ppm/℃,由Ca2Ga2SiO7陶瓷远红外反射谱外推的本征介电性能为:εr=10.735、Q×f=34,722 GHz,其中在50-400 cm-1低频范围的介电极化贡献为5.235,占50-1000 cm-1波数范围内介电常数外推值的81.8%,表明Ca2Ga2SiO7微波介质陶瓷在微波频段的介电极化与声子在远红外区域的振动吸收有关。而Ca2Al2SiO7陶瓷在1340°C下同样具有较高的相对密度（98.2%）,微波介电性能为εr=7.7、Q×f=17,600 GHz、τf=-51.06 ppm/℃。在1280°C得到的黄长石结构的Ca2Ga2Ge O7陶瓷的相对密度仅为86%,微波介电性能为εr=5.86、Q×f=5,153 GHz。