锂基微波介质陶瓷的制备与性能研究

摘要

微波介质陶瓷是应用于微波频段(300 MHz-300 GHz)电路中作为介质材料并完成多种功能的陶瓷。随着现代微波移动通讯技术的快速发展，微波介质陶瓷已经成为近年来国内外电介质材料研究领域的热点方向。本文采用传统固相法制备了高性能的锂基微波介质陶瓷Li2Mg3BO6(B=Zr，Sn)，并通过气氛控制烧结、非化学计量，加入烧结助剂和形成复相等方法对Li2Mg3BO6(B=Zr，Sn)进行烧结和性能优化。通过XRD，SEM，EDS及矢量网络分析仪系统地研究了制备工艺、相结构、微观形貌等对微波介电性能的影响。本论文的主要研究工作如下:
　　在论文第一部分，利用非化学计量法成功制得Li2Mg3ZrO6陶瓷纯相，并借助富锂气氛控制烧结工艺抑制了Li2(1+x)Mg3ZrO6陶瓷烧结过程中锂的挥发和第二相的产生，促进了液相生成，降低了烧结温度。XRD和Rietveld精修结果以及SEM结果表明陶瓷中杂相量明显减少，微观形貌更加致密。最终获得了Q×f值为150000GHz-300000 GHz(@9.84-9.88GHz)的微波介质陶瓷。当x=0.06的样品在1275℃烧结6h时，可获得最优微波介电性能:εr=12.8，Q×f=307319 GHz(@9.88 GHz)，τf=-35 ppm/℃。凭借理想的微波介电性能，这种具有超低损耗的Li2Mg3BO6(B=Zr,Sn)陶瓷经过进一步改性有可能会成为适用于低温共烧陶瓷技术(LTCC)的陶瓷材料。
　　在论文第二部分，研究了烧结助剂LiF对Li2Mg3SnO6陶瓷烧结行为及微波介电性能的影响，制备出具有优异微波介电性能的Li2Mg3SnO6-x wt.％ LiF陶瓷。实验结果表明，烧结助剂LiF能成功在烧结过程中引入液相烧结机制，降低烧结温度，优化Li2Mg3SnO6陶瓷的烧结工艺和微观形貌。XRD结果表明，在875℃-1100℃范围内，Li2Mg3SnO6陶瓷为纯的立方结构陶瓷;当温度低于850℃时，会发生Li2Mg3SnO6到Li4MgSn2O7的相结构转变;当温度高于1150℃时，陶瓷中有Mg2SnO4杂相产生。通过添加2-4 wt.％ LiF烧结助剂，在875℃-1100℃烧结6h可得到εr=11-12，Q×f=120000-240000 GHz(@9.99-11.60 GHz)，τf～40 ppm/℃的纯相Li2Mg3SnO6微波介质陶瓷。当烧结温度为1150℃时，x=2的样品具有最优微波介电性能:εr=10.7，Q×f=330461 GHz(@10.40 GHz)，τf=-42 ppm/℃。当烧结温度为875℃时，x=4组成具有优异的微波介电性能:εr=11.6，Q×f=155424GHz(@9.98 GHz)，τf=-35.5 ppm/℃，证明Li2Mg3SnO6微波介质陶瓷在LTCC技术方面应用潜力很大。
　　最后，通过将Ba3(VO4)2与Li2Mg3SnO6-3 wt.％ LiF形成复相陶瓷调节了基体Li2Mg3SnO6-3 wt.％ LiF的温度系数τf。XRD、SEM及EDS分析结果表明Ba3(VO4)2与Li2Mg3SnO6在陶瓷中以复相形式均匀分布，晶界明显，微观结构均匀致密，且可与银共烧。Ba3(VO4)2一定程度上恶化了基体的品质因数，但是能有效调节基体的温度系数，提高材料致密度，降低基体的烧结温度。在设计组成范围内陶瓷的τf近零并可通过改变Ba3(VO4)2含量实现微调。复相陶瓷具有优异的微波介电性能:εr=12.6-13,Q×f=79761-99230 GHz(@12.67-12.94GHz)，适用于LTCC技术，性能优势明显，是具有潜在应用价值的微波介质陶瓷。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微波介质陶瓷的发展历史和现状

1．3 微波介电响应理论基础

1．4 微波介质陶瓷的介电性能参数

1．4．1 介电常数

1．4．2 品质因数

1．4．3 谐振频率温度系数

1．5 烧结理论

1．5．1 什么是烧结

1．5．2 烧结过程和几种常见的烧结类型

1．5．3 烧结机制

1．6 低温共烧陶瓷技术(LTCC)介绍

1．6．1 LTCC技术发展和应用

1．6．2 LTCC技术对介电材料的性能要求

1．7 锂基微波介质陶瓷

1．7．1 锂基微波介质陶瓷研究现状及主要体系

1．8 课题的提出及研究内容

第二章 材料的制备和性能表征

2．1 实验原料及实验仪器

2．2 样品制备及工艺

2．3 性能测试及结构表征

2．3．1 密度测试

2．3．2 X射线衍射分析(XRD)

2．3．3 微观形貌分析(SEM)

2．3．4 微波介电性能测试

第三章 超低损耗Li2(1+x)Mg3ZrO6微波介质陶瓷制备与性能

3．1 引言

3．2 Li2(1+x)Mg3ZrO6陶瓷的制备工艺

3．3．1 物相分析

3．3．2 微观形貌分析

3．3．3 微波介电性能分析

3．4 本章小结

第四章 LiF对Li2Mg3SnO6陶瓷烧结行为及微波性能的影响

4．1 引言

4．2 Li2Mg3SnO6陶瓷的制备工艺

4．3．1 物相分析

4．3．2 微观形貌分析

4．3．3 微波介电性能分析

4．4 本章小结

第五章 LiF掺杂的Li2Mg3SnO6-Ba3(VO4)2复相陶瓷

5．1 引言

5．2 Li2Mg3SnO6-x vol．％Ba3(VO4)2-3 wt．％LiF复相陶瓷的制备

5．3．1 相结构分析

5．3．2 微波介电性能分析

5．3．3 显微形貌分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文