多元体系低温烧结微波介质陶瓷的设计、制备及性能优化

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随着无线通讯设备不断向小尺寸、集成化方向发展,微波介质陶瓷材料不仅需要适当的介电常数(εr),高的品质因素(Q×f)以及较低的谐振频率温度系数(τf),同时也需要有较低的烧结温度,以便与低熔点的电极共烧,满足LTCC(低温共烧陶瓷)技术的要求。本文通过传统的固相反应法制备了5MgO-3Li2O-4WO3、Li4xMg3(1-x)Al6(1-x)Ti5O12、Li4Ti5O12等新型低温烧结微波介质陶瓷,系统研究了LiZnNbO4陶瓷的低温化烧结、工艺优化、烧结特性及性能调节,并对上述陶瓷与Ag电极的低温共烧进行了初步探讨。(1)采用传统的固相反应法制备了5MgO-3Li2O-4WO3新型低烧微波介质陶瓷,通过XRD、SEM以及微波网络分析仪研究了该陶瓷的相结构、原子占位、烧结性能及微波介电性能。5Mg O-3Li2O-4WO3陶瓷不仅具有低的烧结温度(≤840 oC),而且还具有低介电常数10.3,高品质因素20,537 GHz(在11GHz频率下)。该材料能与Ag共烧兼容,表明其可作为LTCC器件的备选材料。(2)对比研究了不同原材料处理方式对Li Zn Nb O4陶瓷相转变、显微结构、烧结特性及微波介电性能的影响,恰当的原材料处理使得Li Zn Nb O4陶瓷在一个较低的温度区间(9501070 oC)获得高的品质因数(Q×f),改善了Li Zn Nb O4陶瓷的烧结特性,并降低其烧结温度。加入一定量的Ca Ti O3来调节Li Zn Nb O4陶瓷的τf,1070 oC烧结的0.9Li Zn Nb O4-0.1Ca Ti O3陶瓷具有优异的微波介电性能:εr=22.9,Q×f=10,583 GHz(谐振频率f7.4 GHz),τf=-27.5 ppm/oC。(3)研究了Li4xMg3(1-x)Al6(1-x)Ti5x O12(0.2≤x≤0.8)微波介质陶瓷体系的相结构、微观形貌及微波介电性能。Li4xMg3(1-x)Al6(1-x)Ti5x O12(0.2≤x≤0.8)陶瓷表现出良好的综合性能:εr=11.526.5,Q×f=7,10230,191 GHz,τf=-55.4+5.7 ppm/°C,烧结温度可以从1280 oC降低至925°C。值得注意的是,Li4xMg3(1-x)Al6(1-x)Ti5x O12(x=0.6)陶瓷在1075°C时烧结显示出中等的εr18.8,高Q×f12,429 GHz(谐振频率f8 GHz),近零的τf-6.0 ppm/°C。(4)通过传统的固相法制备了新型Li4Ti5O12低烧微波介质陶瓷,并对其相结构、烧结特性、微观晶粒形貌以及微波介电性能进行了较为系统的研究。XRD分析表明其具有立方尖晶石结构(JCPDS file No.00-049-0207)。该陶瓷在925°C烧结时,获得最佳的微波介电性能:中等介电常数31.5,高品质因数(Q×f)29,530 GHz(谐振频率f7GHz),以及小的谐振频率温度系数(τf)-15.0 ppm/°C。当烧结温度上升到1025°C以上,析出的Ti O2相使得混和相的谐振频率温度系数调节近零。
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