低温烧结(Zn1-xMgx)2SiO4基陶瓷的微波介电性能研究

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随着高频段的开发与利用,人们提出了LTCC技术来实现微波器件的叠层式设计以满足信号的高质量与高速度传播,因此在LTCC技术中有广泛应用前景的高微波性能、低烧结温度的低介电常数微波陶瓷成为当今研究的热点。综合考虑材料的性能与成本,本文以(Zn1-xMgx)2SiO4体系陶瓷为研究对象,通过密度测量、XRD、SEM及介电性能分析获得高性能低烧结温度的(Zn1-xMgx)2SiO4基微波介质陶瓷。本文确定(Zn0.8Mg0.22SiO4(x=0.2)为(Zn1-xMgx)2SiO4体系中的最佳成分陶瓷,并发现添加适量的ZrO2可以改善(Zn0.8Mg0.2)2SiO4陶瓷的介电性能。经比较后发现添加1.0wt%ZrO2的99wt%(Zn0.8Mg0.2)2SiO4+1.0wt%ZrO2(ZMSZ)陶瓷在1350C烧结3h后具备最佳致密性、低频介电性能:ρ=3.9g·cm-3,εr≈7,tanδ≈10-5(f≈5MHz)以及微波介电性能:r=6.35,Qf=9.33×104GHz,f=-57.9ppm/C。ZMSZ陶瓷因f值偏负而不能直接应用在微波电路中,本文通过复合添加TiO2对其f值进行了补偿,随着TiO2的添加复合陶瓷的f值逐渐增大,其中添加9wt%TiO2的91wt%ZMSZ+9wt%TiO2(ZMSZT)样品经1240°C/3h烧结后对应谐振频率温度系数被调节至-0.87ppm/C,然而该复合陶瓷的烧结温度较高不能与Ag/Cu低温共烧。单独或复合添加低熔点氧化物B2O3与Li2O均能提高ZMSZT陶瓷的烧结活性从而降低其烧结温度。其中单独添加3wt%B2O3的97wt%ZMSZT+3wt%B2O3复合体经960°C/3h烧结后获得较好的微波介电性能:r≈9.3,Qf≈2.8×104GHz,τf≈6.3ppm/C;复合添加1wt%B2O3+4wt%Li2O助烧时,对应ZMSZT基复合陶瓷经930°C/3h烧结后获得更好的致密性及微波介电性:ρ=3.86g·cm-3,r≈9.4,Qf≈3×104GHz,τf=-5.7ppm/°C;然而当复合添加3wt%B2O3+4wt%Li2O助烧剂时对应ZMSZT基复合陶瓷体的致密性及微波性能反而变差。因此通过控制添加剂含量能成功地获得应用于LTCC技术中的(Zn0.8Mg0.2)2SiO4基微波介质陶瓷材料。
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