α-堇青石微晶玻璃具有良好的力学性能、优良的介电性能及与Si、GaAs等半导体材料相匹配的热膨胀系数,被认为是最具潜力的低温共烧陶瓷（LTCC）基板材料之一。近几十年来,尽管堇青石微晶玻璃的掺杂改性及热处理工艺等研究取得了长足的发展与进步,但其大都仍依赖于高纯化学试剂原料,烧结温度及成本高。如若能够以价廉易得的天然矿物或尾矿,取代（或部分取代）纯化学试剂制备性能优异,可应用于LTCC基板的堇青石微晶玻璃,将极大降低其生产成本,同时亦有利于天然矿物及其尾矿的高效利用。然而,目前以天然矿物,尤其是其尾矿为主要原料制备堇青石微晶玻璃的研究工作较少,并未形成完善的研究体系,仍需大量的实验研究与探索。论文以珍珠岩尾矿为主要原料,在充分表征其物化性质的基础上,对其用于制备α-堇青石微晶玻璃进行了系统的实验探索与研究。首先根据堇青石理论化学计量比设计实验配方,研究了尾矿中杂质成分对微晶玻璃性能影响,并探究了尾矿的最佳用量;在此基础上,分别探讨了过量镁、铝、硅对微晶玻璃性能及结晶过程的影响。采用傅里叶变换红外光谱、X-射线衍射、扫描示差量热分析、扫描及透射电子显微技术等仪器对基础玻璃结构以及相应微晶玻璃物相组成与显微结构进行了表征,分析了尾矿用量以及过量镁、铝、硅等对微晶玻璃的介电、力学和热膨胀等性能的影响规律与机理,解析了微晶玻璃形成的结晶动力学过程与其性能的关系。主要结论与创新点有:1.依照堇青石理论化学计量比（MgO:Al₂O₃:SiO₂=2:2:5）设计配方,以珍珠岩尾矿替代部分纯化学试剂原料制备堇青石微晶玻璃,并与纯化学试剂原料所制样品进行对比,研究了尾矿中杂质成分对微晶玻璃性能的影响。尾矿中的杂质成分（主要为K₂O,Na₂O,Fe₂O₃及CaO等）可作为玻璃网络结构的修饰体,能够破坏玻璃体的网络结构,降低玻璃态粘度和基础玻璃的玻璃转变温度（Tg）,增大Tg与第一结晶峰（Tp1）之间的温度差,促进了微晶玻璃致密烧结。同时,杂质成分亦可促进μ-和α-堇青石的生成及μ-向α-堇青石相转变,使得单一α-堇青石微晶玻璃的烧结温度显著降低（由1000℃降低至875℃）;可使微晶玻璃的气孔率显著降低、热膨胀系数与半导体材料Si更匹配及介电常数满足商用LTCC基板材料要求,用珍珠岩尾矿制备的α-堇青石微晶玻璃在用作LTCC基板材料更具优势。2.在不添加任何烧结助剂前提下,通过珍珠岩尾矿用量变化来调控基础玻璃中杂质成分含量变化,进而研究了尾矿用量对堇青石微晶玻璃性能影响,确定最佳珍珠岩尾矿用量。随着尾矿用量增加,降低了玻璃网络结构的完整性,增大了Tp1-Tg温差逐渐增大,使微晶玻璃的致密烧结性能更好;抑制了μ-堇青石的生成,促进了α-堇青石的生成及μ-向α-堇青石相转变。当尾矿用量>40 wt.%（杂质成分含量为6.43 wt.%）时,900℃烧结微晶玻璃全部生成α-堇青石相;而尾矿用量为6.43 wt.%时,即便烧结温度降至875℃,微晶玻璃仍可仅含α-堇青石相,其抗折强度最高（112 MPa）,介电常数和介电损耗分别6.62和0.024（10 MHz）,热膨胀系数(2.68×10^-6 K^-1)与半导体材料Si热膨胀系数匹配良好。参照LTCC基板材料的性能要求,珍珠岩尾矿用量为40 wt.%所制备的单一α-堇青石微晶玻璃的抗折强度及介电损耗稍差于商用LTCC基板材料,需要进一步调整优化实验配方。3.珍珠岩尾矿引入的杂质成分充当玻璃网络修饰体,促进了微晶玻璃的形成。相比于M01,过量MgO会降低玻璃转变温度Tg和晶化温度Tp,促进μ-和α-堇青石的低温晶化及μ-向α-堇青石相的转变;过量Al₂O₃和SiO₂均可使玻璃转变温度Tg升高;而过量Al₂O₃则会抑制μ-堇青石析出,促进α-堇青石的生成;过量SiO₂对μ-和α-堇青石的析出均有抑制作用。微晶玻璃的烧结-结晶过程中,均先形成μ-堇青石相,升高烧结温度或延长保温时间可使μ-向α-堇青石相转变直至全部生成α-堇青石。镁铝硅含量变化对生成致密的单一α-堇青石微晶玻璃的最低烧结温度影响程度为:MgO（850℃）<SiO₂（925℃）<Al₂O₃（950℃）。镁、铝、硅含量增加均增大微晶玻璃的抗折强度;MgO和SiO₂含量对微晶玻璃的热膨胀系数的影响不规律,Al₂O₃含量增加会增大微晶玻璃的热膨胀系数,微晶玻璃的热膨胀系数均随烧结温度升高而减小;MgO和Al₂O₃增大微晶玻璃的介电常数;SiO₂降低微晶玻璃的介电常数;过量MgO含量对微晶玻璃介电损耗的影响则不规律,总体上随烧结温度升高其介电损耗增大,Al₂O₃和SiO₂含量增加会降低微晶玻璃的介电损耗。总体而言,对于低温烧结温度制备的单一α堇青石微晶玻璃,镁铝硅含量对其介电性能改善程度为:MgO<Al₂O₃<SiO₂;过量Al₂O₃条件下制备的微晶玻璃热膨胀系数与半导体材料GaAs相匹配,而过量MgO和SiO₂条件下制备的微晶玻璃热膨胀系数与半导体材料Si相匹配。通过调整优化实验配方,最低烧结温度（MgO、Al₂O₃和SiO₂分别为850℃、950℃和925℃）制备的单一α-堇青石微晶玻璃,其性能均满足LTCC基板材料的要求,且性能优越,具有很大的商业开发潜能。4.利用Kissinger方程（K）和Ozawa方程（O）分别对μ-和α-堇青石的结晶活化能进行了计算,对不同镁铝硅含量条件下晶体的析晶能力进行了研究。基础玻璃（配方M01,参比组）中,μ-和α-堇青石的结晶活化能分别为375 kJ/mol、409kJ/mol（K）和351 kJ/mol、413 kJ/mol（O）;在过量MgO基础玻璃中,μ-和α-堇青石的结晶活化能分别为269³59 kJ/mol、388⁴21 kJ/mol（K）和204³82 kJ/mol、382⁴19 kJ/mol（平均值,O）;过量Al₂O₃和SiO₂基础玻璃中α-堇青石的结晶活化能分别为379⁵36 kJ/mol、286³45 kJ/mol（K）和247⁴01 kJ/mol、297³83 kJ/mol（平均值,O）;相比于配方M01,μ-堇青石的形成势垒随MgO含量增加整体上呈减小趋势（依据O）,α-堇青石的形成势垒随镁、铝、硅含量增加先降后升,表明过量MgO可促进μ-堇青石的结晶,而适量镁、铝、硅能促进α-堇青石的结晶。5.利用Augis-Bennett方程计算α-堇青石晶体生长的Avrami指数n,揭示了镁铝硅含量对α-堇青石微观生长机制的影响规律,通过SEM验证理论计算结果。相比于堇青石化学计量比M01配方中α-堇青石晶体的avrami指数n≈3,过量镁、铝、硅对α-堇青石的晶体生长模式有较大影响;过量MgO对α-堇青石晶体均为体相成核,而晶体生长方式基本无影响,为二维生长（M03为一维生长）;随Al₂O₃和SiO₂含量增加,成核形式由体相成核（M31,M36^M37）转变为表面成核（M32^M35,M38^M40）,晶体生长均为一维生长。这与SEM实际观测到的α-堇青石晶体生长形貌相吻合。6.结合制备α-堇青石微晶玻璃的性能,解析了微晶玻璃形成的结晶动力学过程与性能之间的关系。对于最低烧结温度制备的单一α-堇青石的微晶玻璃,从介电性能角度考虑,α-堇青石的晶化机制对微晶玻璃介电常数和介电损耗的改善程度规律为:体相成核和二维生长机制<体相成核和一维生长机制<表面成核和一维生长机制,后者更接近α-堇青石的介电常数（⁵）,且介电损耗更低（0.0044-0.016）。影响LTCC基板材料使用性能的主要参考指标为热膨胀系数和介电性能,论文中过量Al₂O₃微晶玻璃热膨胀系数与GaAs相匹配,而过量MgO和SiO₂微晶玻璃其热膨胀系数与Si相匹配。鉴于此,α-堇青石为表面成核和一维生长的机制更有利于获得满足LTCC基板材料对介电性能要求的α-堇青石微晶玻璃。