鈮酸鹽M2+Nb2O6(M2+=Zn,Ni)基微波介質(zhì)陶瓷低溫?zé)Y(jié)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(shù)的研究發(fā)展概況。鑒于LTCC涉及的材料的低溫?zé)Y(jié)和與Ag共燒問題,在很長一段時間材料技術(shù)都沒有得到足夠重視,阻礙了整個LTCC技術(shù)的發(fā)展,本文通過實驗探索解決了LTCC材料的低溫?zé)Y(jié)和與Ag共燒問題。同時,本文從介質(zhì)物理的基礎(chǔ)知識出發(fā)對用于LTCC微波介質(zhì)材料的介電性能的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了推理論證,從理論上深入研究了要實現(xiàn)LTCC材料的微波介電性能重要指標(biāo)的關(guān)鍵因素,并通過實驗事實對理論結(jié)果進(jìn)行

2、驗證。
　　根據(jù)LTCC微波介質(zhì)材料介電性能的理論研究發(fā)現(xiàn)鈳鐵礦結(jié)構(gòu)的鈮酸鹽應(yīng)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(zhì)陶瓷的微波介電性能的改性依據(jù)以及金紅石TiO2、鈣鈦礦CaTiO3的添加對ZnNb2O6微波介質(zhì)陶瓷改性的可行性。在理論的指導(dǎo)下,進(jìn)行ZnNb2O6微波介質(zhì)陶瓷的材料設(shè)計、制備技術(shù)、相組成、顯微結(jié)構(gòu)及其與介電性能之間關(guān)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(yīng)生成的新相ZnTiNb2O8和Zn0.17Nb0.33Ti0.5O2成功的調(diào)節(jié)了ZnNb2O6的微波介電性能,尤其是諧振頻率溫度系數(shù)τf。在ZnNb2O6-xTiO2體系中,當(dāng)x=1.75mol時,τf=-3.94 ppm/℃。CaTiO3的添加并沒有使體系發(fā)生化學(xué)變化,通過與ZnNb2O6形成復(fù)合陶瓷,恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)了其諧振頻率溫度系數(shù)τf。并且我

4、們進(jìn)一步驗證了理論計算的Lichnetecker(李赫德涅凱)對數(shù)混合定則,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Lichnetecker對數(shù)混合定則的局限性,我們根據(jù)密度、相組成、顯微結(jié)構(gòu)及其與介電性能的實驗結(jié)果進(jìn)行了合理的解釋,并對Lichnetecker對數(shù)混合定則的使用條件進(jìn)行了完善。
　　研究了ZnNb2O6和金紅石TiO2反應(yīng)生成的新相ZnTiNb2O8的低溫?zé)Y(jié)以及微波介電性能。ZnTiNb2O8的燒結(jié)溫度高達(dá)1,250℃,嚴(yán)重限制了其在LTCC

5、中的應(yīng)用。為了節(jié)約時間、節(jié)省成本以便于以后產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),本文采用最便捷最實用的方法:添加低溫?zé)Y(jié)助劑BaCu(B2O5)來降低體系的燒結(jié)溫度,使陶瓷材料的燒結(jié)溫度降低到950℃以下,詳細(xì)討論了燒結(jié)過程中的低溫?zé)Y(jié)機理,分析了液相燒結(jié)對微波介電性能的影響。在ZnTiNb2O8中添加3.0wt.％ BaCu(B2O5)后,將燒結(jié)溫度有效地降低到950℃,并且樣品表現(xiàn)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(xiàn)ZnTiNb2O8在LTCC中的實際應(yīng)用,還需要接近于零的諧振頻率溫度系數(shù)τf。根據(jù)Lichnetecker(李赫德涅凱)對數(shù)混合定則仍采用TiO2調(diào)節(jié)ZnTiNb2O8的諧振頻率溫度系數(shù)τf。本文同時添加TiO2和BaCu(B2O5)來實現(xiàn)ZnTiNb2O8的低溫?zé)Y(jié)與諧振頻率溫度系數(shù)τf的改善。利用XRD,SEM,EDS等測試手段詳細(xì)討論了諧振頻率溫度系數(shù)τf的改善機

7、理以及燒結(jié)助劑對τf的影響,并且具體分析了與衰減因子γ相關(guān)的本征損耗和非本征損耗對品質(zhì)因數(shù)Q×f的影響。在ZnTiNb2O8-xTiO2(x=0.8)中添加2.0wt.％BaCu(B2O5),經(jīng)950℃4小時熱處理后,溫度系數(shù)成功的調(diào)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(xiàn)樣品與Ag具有良好的兼容性,解

8、決了LTCC材料技術(shù)的發(fā)展瓶頸——與Ag共燒的問題,因此可以作為比較有應(yīng)用前景的LTCC候選材料。
　　面臨微波器件的進(jìn)一步小型化的需求,目前對于高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷低溫?zé)Y(jié)的需求更為迫切。本文探討了鈳鐵礦結(jié)構(gòu)的NiNb2O6陶瓷的微波介電性能和低溫?zé)Y(jié)。當(dāng)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(shù)εr=68.7,非常適合

9、應(yīng)用在LTCC技術(shù)領(lǐng)域以減小微波器件的尺寸。但是其燒結(jié)溫度高達(dá)1,200℃,過高的燒結(jié)溫度限制了該體系在LTCC技術(shù)中的應(yīng)用。CuO的添加不僅成功的將NiNb2O6-1.3TiO2陶瓷的燒結(jié)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(nèi)(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(jīng)935C3.5h熱處理后,樣品具有優(yōu)良