低温烧结BaO-TiO2系陶瓷材料的研究

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近年来,移动通信的信息容量成指数成长,因此移动通信必然朝更高频段迈进,无源器件小型化的需求也变得日益迫切。多层片式元件是实现移动通信终端更进一步小型化的唯一途径,然而多层片式微波元器件的制备,要求微波材料能与高电导率的金属电极共烧,目前熔点较低的Ag(td=960℃)或Cu(td=1060℃)等金属是最为理想的电极材料。因此,能与Ag或Cu共烧的低温烧结微波介质陶瓷的研究和开发已成为发展重点和方向。本文首先通过实验研究得出BaO-TiO2系微波介质陶瓷中具有较好介电性能的化合物,分别是BaTi4O9和Ba4Ti12O27,并得出了它们的最佳预烧温度为1130℃。由于BaTi4O9和Ba4Ti12O27的烧结温度在1300℃左右,远远无法满足低温共烧的要求,所以必须通过添加烧结助剂来降低它们的烧结温度。对BaTi4O9和Ba4Ti12O27陶瓷添加ZnO,实验表明添加ZnO能降低Ba4Ti12O27和BaTi4O9的烧结温度,而且对Ba4Ti12O27的降烧作用更加明显。ZnO的降烧作用主要是由于ZnO加入后形成固溶体,促进了液相烧结,降低了体系的自由能,从而降低了系统的烧结温度。当添加的ZnO含量为11wt%时,能使Ba4Ti12O27的烧结温度降低至1100℃,同时具有较好的微波性能:εr=36.4,Q×f=14140GHz。当添加ZnO含量为9wt%时,能使BaTi4O9的烧结温度降低至1160℃,同时也具有较好的微波性能:εr=31.4,Q×f=12264GHz。虽然ZnO有较好的降烧作用,但烧结温度仍未达到与Ag或Cu共烧的要求,故改用添加H3BO3,添加H3BO3能使Ba4Ti12O27的烧结温度降到950°C,并具有良好的微波性能,并且优于添加H3BO3的BaTi4O9。H3BO3的降烧作用主要是由于形成了BaB2O4,促进了陶瓷的液相烧结,从而降低了烧结温度。实验表明,当添加的H3BO3含量为3wt%时,Ba4Ti12O27具有较好的微波介电性能:εr=34.1,Q×f=9000GHz。当添加的H3BO3含量为2wt%时,BaTi4O9烧结温度降至980°C,也具有较好的微波介电性能:εr=31.5,Q×f=15000GHz。最后对Ba4Ti12O27进行H3BO3和CuO的复合掺杂以及其它一些氧化物的掺杂。H3BO3和CuO复合掺杂的作用主要是由于形成了液相BaCu(B2O5),从而降低了陶瓷的烧结温度。实验结果表明:当复合添加3wt%H3BO3和5mol%CuO时,能使Ba4Ti12O27的烧结温度降低至900℃,其微波介电性能还是较为满意的,其中εr=32.2,Q×f=8573.8GHz。ZnO和Nb2O5对Ba4Ti12O27复合掺杂以及CuV2O6对Ba4Ti12O27掺杂,都能很好的抑制陶瓷中的Ti4+转变为介电性能较差的Ti3+,使样品能保持较好的介电性能,而且还能通过液相烧结降低Ba4Ti12O27的烧结温度。当ZnO含量为11wt%,Nb2O5含量为3wt%时,能使Ba4Ti12O27样品的烧结温度降至1140℃,在4GHz下,εr=35.2,Q×f=9111GHz。当CuV2O6含量为2wt%时,能使Ba4Ti12O27样品的烧结温度降至1130℃,在4GHz下,εr=37.5,Q×f=10512.8。
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