激光快速烧结技术制备高介电常数TaO基陶瓷的研究

摘要

本论文探索性地将激光材料加工技术与改善介电陶瓷物理性能的研究紧密结合，对激光快速烧结技术制备高介电常数Ta2O5基陶瓷进行了系统研究。采用该技术在室温、空气气氛的常压条件下首次制备出具有目前最高介电常数值的Ta2O5基陶瓷(κ=450)及Ta2O5基透明陶瓷，整个激光烧结过程不超过10min。分析了激光快速烧结Ta2O5基陶瓷介电常数的增强机理和透光机理，阐述了该技术及其所制备材料的发明意义及推广可行性。 论文首先通过激光辐照Ta2O5基陶瓷的相关基础实验，研究了激光对Ta2O5基陶瓷的辐照效应，确定了激光快速烧结Ta2O5基陶瓷所需的激光器类型、激光功率范围以及光斑尺寸等基本实验条件。然后逐一分析了激光各工艺参数对陶瓷介电性能的影响，并在此基础上制订出合理可行的CO2激光快速烧结高介电常数(Ta2O5)1-x(TiO2)x(x=0.00，0.05，0.08，0.11，0.15)陶瓷的实验方案，进行了系统的陶瓷烧结实验及改性机理的研究，制备出介电常数比普通烧结陶瓷明显提高同时保持较低介质损耗(Tanδ＜0.02)的Ta2O5基陶瓷。其中Ta2O5陶瓷的介电常数由35提高至65，比普通烧结陶瓷提高了近2倍，(Ta2O5)0.92(TiO2)0.08陶瓷的介电常数达到目前国际最高值450。近一年时间内室温条件下介电性能的测试结果验证了激光快速烧结技术所制备Ta2O5基陶瓷介电常数大幅度提高的稳定性。这种介电常数大幅度增强的Ta2O5基陶瓷有望满足当前信息产业中电子器件日趋微型化的发展需求。研究发现激光快速烧结所导致Ta2O5基陶瓷中高温相结构的出现、陶瓷晶粒的取向生长以及接界延伸长度可至100μm以上的特殊晶界是引起该种新型陶瓷介电常数大幅度提高的三个主要原因。激光快速烧结是一个高温急冷的非平衡烧结过程，容易获得普通烧结方法难以制备的具有特殊物理性能的新材料，在提高功能材料使用性能和开发新材料方面有着良好的应用前景。 采用激光快速烧结技术在室温、空气气氛的常压条件下，首次完成了Ta2O5基透明陶瓷的制备。这种在0.3～3μm较宽频谱范围内具有较高透光率的新型透明陶瓷在制造高温光学窗口和光波导等器件方面具有较大的应用潜值。通过对Ta2O5基透明陶瓷透光机理的分析，发现激光高温辐照所引起的以液相传质为主的定向烧结机制决定了该技术对透明陶瓷传统烧结技术的简化。相比较透明陶瓷的传统烧结方法，激光快速烧结技术对原料粉、烧结气氛等烧结条件要求宽松，效率高，适用材料范围广，尤其适用于普通烧结方法难以制备的高熔点透明陶瓷和复合透明材料。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1激光材料加工简介

1.1.1激光材料加工简介

1.1.2陶瓷激光加工技术的发展新方向

1.2 Ta2O5基陶瓷及其改性研究进展

1.2.1 Ta2O5的物理性质和晶体结构

1.2.2 Ta2O5介电性能的开发潜值及改性研究进展

1.2.3对介电性能改善具有特殊意义的掺杂系Ta2O5-TiO2

1.3透明陶瓷制备技术简介

1.4研究课题的提出

1.5课题研究的目的及主要内容

第2章激光快速烧结陶瓷的理论与实验基础

2.1激光快速烧结陶瓷的理论基础

2.2激光快速烧结Ta2O5基陶瓷的实验基础

2.2.1实验原料

2.2.2激光器的选用及激光烧结系统

2.3陶瓷试样的表征方法

2.3.1 X-射线衍射谱(XRD)

2.3.2材料显微形貌与结构的观察分析

2.3.3 X射线能谱分析

2.3.4陶瓷试样的介电性能测量

2.3.5拉曼光谱和红外光谱

2.3.6陶瓷试样透光率的测定

2.4本章小结

第3章激光快速烧结Ta2O5基陶瓷实验方案的制定

3.1 CO2激光对Ta2O5基陶瓷辐照作用的基础实验

3.2激光辐照Ta2O5基陶瓷对其介电性能及显微结构的影响

3.2.1激光辐照Ta2O5基陶瓷介电性能的影响

3.2.2激光辐照改变Ta2O5基陶瓷介电性能的相结构分析

3.2.3 Ta2O5基陶瓷激光辐照试样的显微结构

3.3激光快速烧结技术制备Ta2O5基陶瓷实验方案的制定

3.3.1激光各工艺参数对Ta2O5基陶瓷烧结影响的研究

3.3.2激光快速烧结Ta2O5基陶瓷的实验方案

3.4本章小结

第4章激光快速烧结Ta2O5基陶瓷的介电性能增强及其机理分析

4.1激光快速烧结Ta2O5基陶瓷的介电性能增强

4.1.1激光快速烧结Ta2O5基陶瓷的介电性能

4.1.2激光快速烧结Ta2O5基陶瓷介电性能增强的时效性

4.1.3激光快速烧结(Ta2O5)0.92(TiO2)0.08陶瓷的介电性能增强

4.2激光快速烧结Ta2O5基陶瓷介电常数的增强机理

4.2.1激光快速烧结Ta2O5基陶瓷的物相分析

4.2.2激光快速烧结Ta2O5基陶瓷的显微结构分析

4.2.3激光快速烧结Ta2O5基陶瓷的晶界特征分析

4.3本章小结

第5章Ta22O5基透明陶瓷的激光快速烧结

5.1激光快速烧结Ta2O5基透明陶瓷及其透光性研究

5.2激光快速烧结Ta2O5基透明陶瓷的透光机理

5.3激光快速烧结Ta2O5基透明陶瓷工艺简化的原因

5.4本章小结

结论与展望

论文工作总结及创新点

研究工作的应用前景及下一步工作展望

参考文献

攻读博士学位期间完成的学术论文、申请的专利和获得的奖励

致谢