ZnAl2O4系微波介质陶瓷的制备及其微波介电性能的研究

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本文以ZnAl2O4系微波介质陶瓷为研究对象,通过添加TiO2和SrTiO3来调节体系谐振频率温度系数,提高体系的微波介电性能;对0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷的预烧温度、二次球磨时间等制备工艺进行了研究,探索制备0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷体系的最佳工艺参数;通过添加助熔剂(ZBS玻璃和H3BO3),研究了0.79ZnAl2O4-0.21TiO2微波介质陶瓷的低温烧结特性和微波介电性能。首先,本文采用传统的固相陶瓷工艺制备(1-x)ZnAl2O4-xTiO2微波介质陶瓷,系统研究了不同TiO2添加量对陶瓷的烧结行为、物相组成、显微形貌以及微波介电性能的影响,当TiO2添加量为0.21mol时,0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷体系达到最佳微波介电性能,:εr=12.16,Q·f=78954GHz,τf=-2.2ppm/℃。用相同方法研究了(1-x)ZnAl2O4-xSrTiO3微波介质陶瓷,当添加0.06molSrTiO3时,0.94ZnAl2O4-0.06SrTiO3在1475℃下烧结后,微波介电性能为εr=11.27,Q·f=41487GHz,τf=+7.5ppm/℃。其次,研究了陶瓷的固相合成制备工艺参数对0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷体系介电性能的影响,通过改变预烧温度和二次球磨时间,得到了性能优良、致密度很高的0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷,最佳工艺参数为预烧温度为1050℃,二次球磨时间24h,烧结温度为1300℃。最后,为了有效降低0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷体系的烧结温度,满足LTCC应用的需求,通过分别添加ZBS玻璃和H3BO3,系统地研究了两种助熔剂对0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷体系低温烧结的影响、作用机理以及微波介电性能的影响。通过XRD、SEM等实验方法,揭示了掺杂不同质量分数ZBS玻璃的0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷的物相组成、微观结构与介电性能的关系。当添加12wt%ZBS玻璃,在950℃下烧结时,可获得满足LTCC要求的微波介电性能:εr=11.2, Qf=18085GHz, τf=-26ppm/℃。添加0.5wt%H3BO3的0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷在1250℃下烧结得到的微波介电性能为:εr=12.02,Q·f=80120GHz,τf=-2.1ppm/℃。添加2wt%H3BO3的0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷1200℃下烧结得到微波介电性能:εr=11.75,Q·f=74670GHz,τf=+1.8ppm/℃。
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