低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷.pdf

1、隨著微波通信和雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展,微波介質(zhì)諧振器材料的研究也朝微波高端方向發(fā)展.介電常數(shù)小于10、具有高Q值與近零諧振頻率溫度系數(shù)的微波介質(zhì)諧振器材料的研究已越來(lái)越受關(guān)注.同時(shí),在微波介質(zhì)材料領(lǐng)域內(nèi),探索材料介電損耗的機(jī)理并獲得高Q值低損耗的材料一直是電介質(zhì)材料研究的關(guān)鍵問(wèn)題.介電常數(shù)<10的介質(zhì)材料一般具有高Q值,但同時(shí)也有大的負(fù)諧振頻率溫度系數(shù),需要通過(guò)結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)調(diào)控來(lái)獲得近零的諧振頻率溫度系數(shù).本文在對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)、相組成、微

2、結(jié)構(gòu)等因素與材料微波介電性能之間關(guān)系展開(kāi)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,探討低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的改性. Ti-B位置換改性Mg<,2>SiO<,4>陶瓷微結(jié)構(gòu)和微波介電性能的研究中發(fā)現(xiàn),在合成Mg2SiO<,4>陶瓷過(guò)程中MgSiO<,3>總是作為第二相出現(xiàn),Ti的引入能夠有效地抑制MgSiO<,3>的出現(xiàn).但Ti不是進(jìn)入Si-O四面體取代置換Si形成Mg<,2>(Si<,1-x>Ti<,x>)O<,4>固溶體,而是與Mg反應(yīng)形成Mg<,

3、2>Ti<,4>)O<,5>等第二相.Mg<,2>(Si<,1-x>Ti<,x>)O<,4>陶瓷隨著x值增加,介電常數(shù)ε<,r>從6.8增加到8.1,Qf廠值也獲得顯著改善,諧振頻率溫度系數(shù)不因Ti的引入而得到優(yōu)化.在x=0.1時(shí),陶瓷獲得最優(yōu)的微波介電性能:εr=7.4, of=73,760 GHz, tf=-60ppm/℃. 通過(guò)對(duì)Mg<,2>(Si<,1-x>-Zn<,2>)O<,4>陶瓷體系的研究發(fā)現(xiàn):在該體系兩端附近,

4、可以觀察到少量的相互固溶;(Mg<,1-x>Zn)<,x>SiO<,4>陶瓷在0.1≤x≤0.9成分范圍內(nèi)主要由鎂橄欖石和硅鋅礦兩相共存構(gòu)成.Zn的引入整體上降低Mg<,2>SiO<,4>陶瓷微波性能,但Mg引入能夠改善提高Zn<,2>SiO<,4>陶瓷微波性能.在x=0.6時(shí),陶瓷獲得比較優(yōu)良的微波介電性能:εr=6.6,Of=95,650GHz,tf=-60ppm/℃. 在Mg<,2>SiO<,4>陶瓷合成過(guò)程中,熱處理方法

5、難以消除:Mg<,2>SiO<,3>第二相;它的存在會(huì)惡化Mg<,2>(SiO<,4>陶瓷微波介電性能.通過(guò)調(diào)控Mg/Si非化學(xué)計(jì)量配比,Mg<,2>SiO<,4>第二相能夠得到有效抑制.當(dāng)Mg/Si比等于2.05時(shí),得到單相的Mg<,2>SiO<,4>陶瓷.由于Mg<,2>SiO<,4>第二相得到抑制與微結(jié)構(gòu)的改善,Mg<,2>SiO<,4>陶瓷的Qf值從54,820GHz提高到114,730GHz,諧振頻率溫度系數(shù)(tf)從-63p

6、pm/℃提高為-58ppm/℃:.研究得到Mg<,2>SiO<,4>陶瓷最佳的微波介電性能為:εr=7.5,pf=114,730GHz,τ<,f>=-59ppm/℃. 以Al<,2>O<,3>為模型材料研究影響材料介電損耗的因素,發(fā)現(xiàn)Y<,2>O<,3>摻雜有利于Al<,2>O<,3>陶瓷的致密化并能對(duì)陶瓷的微結(jié)構(gòu)與晶粒尺寸起到調(diào)控作用.由于離子半徑的差別,Y<'3>離子難以進(jìn)入剛玉結(jié)構(gòu)的間隙或發(fā)生取代置換 Al<'3+>離子形

7、成固溶體,而是與Al<,2>O<,3>反應(yīng)生成Al<,5>Y<,3>O<,12>.在Y<,2>O<,3>摻雜改性過(guò)程中,非本征因素成為影響 Al<,2>O<,3>陶瓷微波介電性能的主要因素,使得 Al<,2>O<,3>陶瓷微波介電損耗從8.4×10<'-5>增加到2.2×10<'-4>. 本文最后采用醇熱法合成具有不同晶粒尺寸和結(jié)晶形貌的α-Al<,2>O<,3>粉體.此法與水熱法相比,降低了反應(yīng)系統(tǒng)的合成溫度和壓力,無(wú)需礦化劑

8、在低溫低壓下直接合成α-Al<,2>O<,3>.在反應(yīng)過(guò)程中,波姆石被認(rèn)為是形成α-Al<,2>O<,3>的中間相,在290℃直接轉(zhuǎn)變成α-Al<,2>O<,3>.隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),波姆石到α-Al<,2>O<,3>的轉(zhuǎn)變能夠充分完成.結(jié)晶面{0001}是α-Al<,2>O<,3>顯露的特征面.α-Al<,2>O<,3>各結(jié)晶面的生長(zhǎng)速率是{0001}<{1123)={1123}<{1120}.反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),α-Al<,2>O<,3>