鈮酸鹽M2+Nb2O6(M2+=Zn,Ni)基微波介質陶瓷低溫燒結和微波介電性能研究.pdf

1、論文首先全面概述了低溫共燒陶瓷(LTCC)技術的研究發(fā)展概況。鑒于LTCC涉及的材料的低溫燒結和與Ag共燒問題,在很長一段時間材料技術都沒有得到足夠重視,阻礙了整個LTCC技術的發(fā)展,本文通過實驗探索解決了LTCC材料的低溫燒結和與Ag共燒問題。同時,本文從介質物理的基礎知識出發(fā)對用于LTCC微波介質材料的介電性能的理論基礎進行了推理論證,從理論上深入研究了要實現LTCC材料的微波介電性能重要指標的關鍵因素,并通過實驗事實對理論結果進行

2、驗證。
　　根據LTCC微波介質材料介電性能的理論研究發(fā)現鈳鐵礦結構的鈮酸鹽應該具有優(yōu)良的微波介電性能。接著從理論上探討了鈳鐵礦鈮酸鹽ZnNb2O6微波介質陶瓷的微波介電性能的改性依據以及金紅石TiO2、鈣鈦礦CaTiO3的添加對ZnNb2O6微波介質陶瓷改性的可行性。在理論的指導下,進行ZnNb2O6微波介質陶瓷的材料設計、制備技術、相組成、顯微結構及其與介電性能之間關系的研究。金紅石TiO2和鈣鈦礦CaTiO3的適量添加改善了

3、ZnNb2O6的微波介電性能,但是二者的改善機理完全不同。ZnNb2O6和金紅石TiO2反應生成的新相ZnTiNb2O8和Zn0.17Nb0.33Ti0.5O2成功的調節(jié)了ZnNb2O6的微波介電性能,尤其是諧振頻率溫度系數τf。在ZnNb2O6-xTiO2體系中,當x=1.75mol時,τf=-3.94 ppm/℃。CaTiO3的添加并沒有使體系發(fā)生化學變化,通過與ZnNb2O6形成復合陶瓷,恰當的調節(jié)了其諧振頻率溫度系數τf。并且我

4、們進一步驗證了理論計算的Lichnetecker(李赫德涅凱)對數混合定則,結果發(fā)現Lichnetecker對數混合定則的局限性,我們根據密度、相組成、顯微結構及其與介電性能的實驗結果進行了合理的解釋,并對Lichnetecker對數混合定則的使用條件進行了完善。
　　研究了ZnNb2O6和金紅石TiO2反應生成的新相ZnTiNb2O8的低溫燒結以及微波介電性能。ZnTiNb2O8的燒結溫度高達1,250℃,嚴重限制了其在LTCC

5、中的應用。為了節(jié)約時間、節(jié)省成本以便于以后產業(yè)化生產,本文采用最便捷最實用的方法:添加低溫燒結助劑BaCu(B2O5)來降低體系的燒結溫度,使陶瓷材料的燒結溫度降低到950℃以下,詳細討論了燒結過程中的低溫燒結機理,分析了液相燒結對微波介電性能的影響。在ZnTiNb2O8中添加3.0wt.％ BaCu(B2O5)后,將燒結溫度有效地降低到950℃,并且樣品表現出較好的的微波介電性能:εr=32.56,Q×f=20,100GHz(f=5.

6、128GHz),τf=-64.87 ppm/℃。盡管如此,要想實現ZnTiNb2O8在LTCC中的實際應用,還需要接近于零的諧振頻率溫度系數τf。根據Lichnetecker(李赫德涅凱)對數混合定則仍采用TiO2調節(jié)ZnTiNb2O8的諧振頻率溫度系數τf。本文同時添加TiO2和BaCu(B2O5)來實現ZnTiNb2O8的低溫燒結與諧振頻率溫度系數τf的改善。利用XRD,SEM,EDS等測試手段詳細討論了諧振頻率溫度系數τf的改善機

7、理以及燒結助劑對τf的影響,并且具體分析了與衰減因子γ相關的本征損耗和非本征損耗對品質因數Q×f的影響。在ZnTiNb2O8-xTiO2(x=0.8)中添加2.0wt.％BaCu(B2O5),經950℃4小時熱處理后,溫度系數成功的調節(jié)到了0ppm/℃,并且得到了優(yōu)秀的微波介電性能:εr=38.89, Q×f=14,500GHz(f=4.715GHz),τf=0 ppm/℃。再者通過XRD和BSEM表征發(fā)現樣品與Ag具有良好的兼容性,解

8、決了LTCC材料技術的發(fā)展瓶頸——與Ag共燒的問題,因此可以作為比較有應用前景的LTCC候選材料。
　　面臨微波器件的進一步小型化的需求,目前對于高介電常數微波介質陶瓷低溫燒結的需求更為迫切。本文探討了鈳鐵礦結構的NiNb2O6陶瓷的微波介電性能和低溫燒結。當x=0.3時,(Ni1/3Nb2/3)1-xTixO2(即NiNb2O6-1.3TiO2)陶瓷具有優(yōu)良的微波介電性能,特別的是該體系相對較高的介電常數εr=68.7,非常適合

9、應用在LTCC技術領域以減小微波器件的尺寸。但是其燒結溫度高達1,200℃,過高的燒結溫度限制了該體系在LTCC技術中的應用。CuO的添加不僅成功的將NiNb2O6-1.3TiO2陶瓷的燒結溫度從1,200℃降低至935℃,而且使NiNb2O6-1.3TiO2陶瓷在很寬的溫度范圍內(935℃-1,005℃)都能保持非常穩(wěn)定的微波介電性能。在NiNb2O6-1.3TiO2中添加3.2wt.％CuO,經935C3.5h熱處理后,樣品具有優(yōu)良