低介电常数微波陶瓷材料的制备、介电性能及机理研究

【摘要】：低介电常数、高品质因数微波介质陶瓷材料的合成及研究是近年来的研究热点，本文制备了Sm_2SiO_5陶瓷，Sm_4(SiO_4)_3陶瓷，Nd_2SiO_5陶瓷，Al_2O_3-TiO_2陶瓷，MgTiO_3-CaTiO_3陶瓷和(Zn,Mg)TiO_3-TiO_2陶瓷，并用XRD、SEM、EDS和TG-DTA等多种分析测试手段及开腔谐振测试方法，研究了这些低介陶瓷的相组成、致密度和微观结构等对材料介电性能的影响，探索介电性能的演变规律，并将(Zn,Mg)TiO_3-TiO_2复合陶瓷用于制备多层片式陶瓷电容器(MLCC)。 1.研究以非化学计量比效应合成新型的单相Sm_2SiO_5低介电常数微波陶瓷。当Sm_2O_3/SiO_2摩尔比为1:1.05，在1350℃烧结4h，可得到纯的单斜Sm_2SiO_5相。随着温度的升高，可以得到少量的六方Sm_4(SiO_4)_3相，并且随着温度的升高，Sm_2SiO_5陶瓷样品的相对密度随之增加。Sm_2SiO_5陶瓷在1500℃下烧结后，有优良的介电性能：εr=8.5,Q×f=64878.71GHz和τf=-37.64ppm/℃。Sm_2SiO_5陶瓷材料有着较宽的烧成温度范围和小的负温度系数，因此可以作为优良的介电材料用于毫米波通讯装置中。 2.研究以非化学计量比效应合成新型的单相Sm_4(SiO_4)_3低介高频微波陶瓷。发现Sm_2O_3-xSiO_2(1.425≤x≤1.6)在1350-1600℃下烧结四个小时，均能得到纯六方Sm_4(SiO_4)_3相。当x=1.5时，样品的介电性能: εr=9.03，Q×f=17470.76GHz (12.40GHz)和τf=-24.4ppm/℃。Sm_4(SiO_4)_3陶瓷材料有着很宽的烧成温度范围和较小的负温度系数。 3.研究以非化学计量比效应合成新型的单相Nd_2SiO_5低介电常数微波陶瓷。当Nd2O_3/SiO_2摩尔比为1:1.05，在1450℃下烧结时，第二相六方Nd_4Si_3O_(12)相消失，纯单斜Nd_2SiO_5相出现。随着烧温的升高，Nd_2SiO_5陶瓷的相对密度升高。Nd_2SiO_5陶瓷在1500℃下烧结，介电性能: εr=7.94，Q×f=38800GHz, τf=-53ppm/℃。高自谐振频率导致低的介电常数和低的Q×f值。Nd_2SiO_5陶瓷有较宽的烧成温度范围，它们有潜力应用在微波被动元器件中。 4.使用新颖的水基溶胶凝胶法合成0.9Al_2O_3-0.1TiO_2包覆性纳米颗粒，用二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛（TALH）为钛盐水基前驱体，与传统的钛醇盐sol-gel法相比，不需要乙醇做溶剂体系。本文对其制备条件进行了优化。α-Al_2O_3和金红石相晶粒生长指数(n)各为2.5和4，晶粒生长活化能分别为100kJ/mol和107kJ/mol。沿着晶界扩散后形成的缝合线，纳米层通过高温自组装途径生长，其微波介电性能：εr=10.4, Q×f=18000GHz, τf=-10.8ppm/℃(在1300℃烧结)和εr=13, Q×f=32000GHz, τf=45ppm/℃(又在1100℃下退火10h)。 5.采用固相法合成MgTiO_3-CaTiO_3复合陶瓷，加入CaTiO_3用来调节MgTiO_3过负的频率温度系数，加入3ZnO-B_2O_3可以促进体系的烧结。 (a) MgTiO_3-CaTiO_3陶瓷随着CaTiO_3掺入量的增加，体系的介电常数和温度系数随之增加，品质因数随之下降，样品的介电性能与微观结构和晶相转变有着密不可分的联系。0.97MgTiO_3-0.03CaTiO_3在1300℃下具有优良的微波介电性能: εr=18.23, Q×f=76529GHz (7.37GHz)和τf=-34.68ppm/°C。 (b)适量的ZB掺杂0.97MgTiO_3-0.03CaTiO_3，在降低烧温的同时，并没有明显恶化体系的介电性能。0.97MgTiO_3-0.03CaTiO_3+2wt.%ZB在1225℃下具有优良的微波介电性能: εr=17.96, Q×f=79346GHz (7.47GHz)和τf=-34.93ppm/°C。 6.采用固相法合成(Zn,Mg)TiO_3-TiO_2复合陶瓷，加入TiO_2用来稳定(Zn, Mg)TiO_3六方相和调节谐振频率温度系数，加入3ZnO-B_2O_3可以促进体系的烧结，体系遵循液相烧结机理，烧结过程中有明显的晶界运动。SEM和EDS显示，在烧结过程中，游离的(Zn, Mg)TiO_3颗粒会在晶界上产生偏析甚至脱溶出来分凝在晶界上。SnO_2因为能阻止晶界扩张而被用做晶粒细化剂。样品的介电性能与微观结构和晶相转变有着密不可分的联系，我们发现(Zn, Mg)TiO_3-0.25TiO_2+1.0wt.%3ZnO-B2O_3+0.1wt.%SnO_2(ZMTZBS，1000°C)呈现优良的介电性能: εr=27.7, Q×f=65494GHz (6.07GHz)和τf=-8.88ppm/°C。 7.用介电性能优良的ZMTZBS陶瓷粉料成功制造了具有良好电性能的多层片式陶瓷电容器。我们发现：随着电容量增加，电容器的自谐振频率和等效串联电阻相应减少，而品质因数随着频率或电容量增加而减少。