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低介电常数微波介质陶瓷

宋开新  
【摘要】: 随着微波通信和雷达技术的快速发展,微波介质谐振器材料的研究也朝微波高端方向发展。介电常数小于10、具有高Q值与近零谐振频率温度系数的微波介质谐振器材料的研究已越来越受关注。同时,在微波介质材料领域内,探索材料介电损耗的机理并获得高Q值低损耗的材料一直是电介质材料研究的关键问题。介电常数<10的介质材料一般具有高Q值,但同时也有大的负谐振频率温度系数,需要通过结构与微结构调控来获得近零的谐振频率温度系数。本文在对材料的晶体结构、相组成、微结构等因素与材料微波介电性能之间关系展开系统研究的基础上,探讨低介电常数微波介质陶瓷的改性。 Ti-B位置换改性Mg_2SiO_4陶瓷微结构和微波介电性能的研究中发现,在合成Mg_2SiO_4陶瓷过程中MgSiO_3总是作为第二相出现,Ti的引入能够有效地抑制MgSiO_3的出现。但Ti不是进入Si-O四面体取代置换Si形成Mg_2(Si_(1-x)Ti_x)O_4固溶体,而是与Mg反应形成Mg_2TiO_4、MgTi_2O_5等第二相。Mg_2(Si_(1-x)Ti_x)O_4陶瓷随着x值增加,介电常数ε_r从6.8增加到8.1,Qf值也获得显著改善,谐振频率温度系数不因Ti的引入而得到优化。在x=0.1时,陶瓷获得最优的微波介电性能:ε_r=7.4,Qf=73,760 GHz,τ_f=-60 ppm/℃。 通过对Mg_2SiO_4-Zn_2SiO_4陶瓷体系的研究发现:在该体系两端附近,可以观察到少量的相互固溶;(Mg_(1-x)Zn_x)_2SiO_4陶瓷在0.1≤x≤0.9成分范围内主要由镁橄榄石和硅锌矿两相共存构成。Zn的引入整体上降低Mg_2SiO_4陶瓷微波性能,但Mg引入能够改善提高Zn_2SiO_4陶瓷微波性能。在x=0.6时,陶瓷获得比较优良的微波介电性能:ε_r=6.6,Qf=95,650GHz,τ_f=-60ppm/℃。 在Mg_2SiO_4陶瓷合成过程中,热处理方法难以消除MgSiO_3第二相;它的存在会恶化Mg_2SiO_4陶瓷微波介电性能。通过调控Mg/Si非化学计量配比,MgSiO_3第二相能够得到有效抑制。当Mg/Si比等于2.05时,得到单相的Mg_2SiO_4陶瓷。由于MgSiO_3第二相得到抑制与微结构的改善,Mg_2SiO_4陶瓷的Qf值从54,820GHz提高到114,730GHz,谐振频率温度系数(τ_f)从-63ppm/℃提高为-58ppm/℃。研究得到Mg_2SiO_4陶瓷最佳的微波介电性能为:ε_r=7.5,Qf=114,730GHz,τ_f=-59ppm/℃。 以Al_2O_3为模型材料研究影响材料介电损耗的因素,发现Y_2O_3掺杂有利于Al_2O_3陶瓷的致密化并能对陶瓷的微结构与晶粒尺寸起到调控作用。由于离子半径的差别,Y~(3+)离子难以进入刚玉结构的间隙或发生取代置换Al~(3+)离子形成固溶体,而是与Al_2O_3反应生成Al_5Y_3O_(12)。在Y_2O_3掺杂改性过程中,非本征因素成为影响Al_2O_3陶瓷微波介电性能的主要因素,使得Al_2O_3陶瓷微波介电损耗从8.4×10~(-5)增加到2.2×10~(-4)。 本文最后采用醇热法合成具有不同晶粒尺寸和结晶形貌的α-Al_2O_3粉体。此法与水热法相比,降低了反应系统的合成温度和压力,无需矿化剂在低温低压下直接合成α-Al_2O_3。在反应过程中,波姆石被认为是形成α-Al_2O_3的中间相,在290℃直接转变成α-Al_2O_3。随着反应时间的延长,波姆石到α-Al_2O_3的转变能够充分完成。结晶面{0001}是α-Al_2O_3显露的特征面。α-Al_2O_3各结晶面的生长速率是{0001}<{1123}={1123}<{1120}。反应时间延长,α-Al_2O_3晶粒基于{0001}面延c轴通过铝氧八面体链接成层状生长。


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