低温共烧(LTCC)铁电/铁磁复合材料与器件研究

摘要

随着信息和通讯技术的高速发展，整机和系统的小型化、轻量化和多功能化程度进一步提高，这同时对材料、设计和集成技术都提出了更高的要求。面对这一新的挑战，复合材料在功能集成上的优势越来越明显。铁电/铁磁复合材料因兼有电容和电感两种特性，既能为电子器件中电容、电感部分的集成提供更多选择，又可以为新型结构、功能器件的设计拓宽思路。与此同时，低温共烧陶瓷（LTCC）技术以其优异的电子、热机械和互联等特性逐渐成为目前无源集成的主流方式。铁电/铁磁复合材料与LTCC技术结合不仅有助于解决目前LTCC材料种类单一，性能没有实现系列化的问题，还能用单一材料同时实现电容和电感部分的功能，从而避免电容层和电感层材料共烧时可能出现的不匹配。
　　本论文的工作围绕BaTiO3(BTO)/NiCuZn Ferrite(NCZF)和Bi4Ti3O12(BIT)/NiCuZn Ferrite(NCZF)两个铁电/铁磁复合材料体系的低温烧结和性能研究展开。首先用固相反应法，以Bi2O3助熔，实现了低铁电相含量BTO/NCZF复相陶瓷在950oС以下的致密化。在与两相比例相同的CaTiO3/NCZF复相陶瓷进行性能对比的基础上，通过理论修正建立了可以预测低温烧结复相陶瓷磁性能和介电性能的计算模型，同时研究了烧结温度和介电相含量对复合体系磁化机制的影响。其次，分别采用软化学方法、多元低熔点氧化物掺杂以及低熔点玻璃相物质助熔的方法成功制备了900oС烧结的 BTO/NCZF复合材料。研究发现溶胶-凝胶法合成的 BaTiO3粉体可以有效降低复合体系的介电损耗，但对提高体系介电常数作用不大。而且，纳米 BaTiO3粉体相比颗粒尺寸大的同类粉体能更有效地减小复合体系的间隙参数，从获得更高的磁导率。三元氧化物Bi2O3-Li2CO3-V2O5掺杂研究发现，铁电相与铁磁相质量比为1:5时体系有较好的介电性能（在1MHz~1GHz内??=28~31，在1~127MHz内t an?<0.02），此时的??=12~14，截止频率488MHz。按照上述的两相比例，进一步研究了B2O3-Bi2O3-SiO2-ZnO(BBSZ)玻璃添加量对体系磁性能和介电性能的影响，确定了可用于LTCC低通滤波器制作的材料性能参数（??=13，截止频率585MHz，??=26）。制作的低通滤波器3dB截止频率66.3MHz，145MHz时带外抑制20dB，符合设计指标。此外，还借助前面提出的计算模型对各种方法制备的BTO/NCZF复合体系的性能随组分变化规律进行了研究。最后，采用低熔点Bi4Ti3O12铁电陶瓷替换BaTiO3，研究了BIT掺杂NCZF的低温烧结性能，发现适量 BIT能有效促进铁氧体晶粒生长，提高磁导率，并能在一定程度改善体系的介电性能。在此基础上初步研究了BIT含量对低温烧结BIT/NCZF复相陶瓷性能的影响。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 高性能铁电/铁磁复合材料

1.4 低温共烧陶瓷技术

1.5 选题意义及主要工作

第二章低温烧结BaTiO3(CaTiO3)/NiCuZn Ferrite复相陶瓷研究

2.1 引言

2.2 两种复相陶瓷的制备

2.3 相组成、烧结性能与微结构分析

2.4 磁性能研究

2.5 介电性能研究

2.6 小结

第三章 化学合成BaTiO3对低温烧结铁电/铁磁复相陶瓷性能影响

3.1 引言

3.2 铁电/铁磁复相陶瓷的制备

3.3 相组成、烧结性能与微结构分析

3.4 磁性能研究

3.5 介电性能研究

3.6 小结

第四章 低温烧结多元氧化物掺杂铁电/铁磁复相陶瓷性能研究

4.1 引言

4.2 Li2CO3-V2O5对BaTiO3微结构和性能的影响

4.3 Bi2O3-Li2CO3-V2O5掺杂铁电/铁磁复相陶瓷性能研究

4.4 小结

第五章 低温烧结铁电/铁磁/玻璃复合材料性能研究及器件制作

5.1 引言

5.2 BBSZ玻璃对铁电/铁磁复相陶瓷性能的影响

5.3 LTCC低通滤波器的设计与制作

5.4 小结

第六章低温烧结Bi4Ti3O12/NiCuZn Ferrite复相陶瓷性能研究

6.1 引言

6.2 Bi4Ti3O12掺杂NiCuZn铁氧体性能研究

6.3Bi4Ti3O12/NiCuZn Ferrite复相陶瓷性能研究

6.4 小结

第七章 总结

7.1 主要结论及创新点

7.2 有待深入研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果