新型鉍基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷研究.pdf

1、近年來(lái)由于微波技術(shù)設(shè)備向小型化、集成化以及民用方向發(fā)展，國(guó)際上展開了大規(guī)模的對(duì)微波介質(zhì)材料的研究工作。隨著近年來(lái)LTCC（低溫共燒陶瓷）技術(shù)的廣泛使用，尋找、制備與研究中高介電常數(shù)（εr>10）、低損耗（Qf>5000GHz）、近零諧振頻率溫度系數(shù)（TCF≈0ppm/oC）、低燒結(jié)溫度（低于Ag、Cu、Au、Al等常用金屬的熔點(diǎn)）且跟金屬電極燒結(jié)匹配、低成本（不含或者含有少量貴重金屬）、環(huán)保（至少無(wú)鉛，盡量不含或者含有較少有毒原材料）的

2、新型微波介質(zhì)陶瓷成為了人們研究的熱點(diǎn)。
　　考慮到Bi基氧化物陶瓷一般具有較低燒結(jié)溫度和較高介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，本論文緊緊圍繞各類Bi基氧化物陶瓷，應(yīng)用固相反應(yīng)燒結(jié)的方法和高能球磨的方法，通過(guò)多種離子取代以及氧化物摻雜的方式，對(duì)Bi基氧化物陶瓷的燒結(jié)溫度、微波介電性能、金屬電極匹配性等方面展開了研究，并嘗試在陶瓷基板天線和多層共燒電容器等領(lǐng)域進(jìn)行了原型器件設(shè)計(jì)和制作，得到了一系列兼具理論和工程應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果：
　　本文的第一章主

3、要從基礎(chǔ)介質(zhì)物理理論出發(fā)，首先介紹了介質(zhì)中最基本的極化現(xiàn)象，然后進(jìn)一步引申出了在微波頻段下（300MHz～300GHz）電介質(zhì)的介電常數(shù)、介電損耗以及溫度系數(shù)的具體表征以及含義，為后續(xù)具體工作提供了有力的理論依據(jù)。接下來(lái)詳細(xì)介紹了低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，其中包括常用的導(dǎo)體材料以及介質(zhì)材料兩部分的發(fā)展?fàn)顩r。在第一章的結(jié)束部分闡述了本文的主要研究?jī)?nèi)容及其意義。
　　本文的第二章主要是對(duì)Bi2O3-Nb2O5二元體系微波

4、介質(zhì)陶瓷的研究。首先通過(guò)V5+、Cu2+、W6+、Ta5+等離子取代的方式，應(yīng)用固相反應(yīng)燒結(jié)和高能球磨等制備方法，系統(tǒng)研究了BiNbO4和Bi3NbO7配方的相形成以及降溫改性，得到了介電常數(shù)介于36～45、Qf介于5000～20000GHz、諧振頻率溫度系數(shù)近零的BiNbO4基陶瓷以及介電常數(shù)介于65～95、Qf介于230GHz～560GHz、TCF在-115～-70ppm/oC的Bi3(Nb,Ta)O7基陶瓷。首次研究了BiNbO4

5、陶瓷跟Cu電極的共燒問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)在N2氣氛下共燒后并沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)或者滲透的情況，奠定了BiNbO4陶瓷在LTCC中的應(yīng)用基礎(chǔ)；首次嘗試使用低溫?zé)Y(jié)的BiNbO4陶瓷作為基板，設(shè)計(jì)了二維天線陣列，HFSS軟件仿真結(jié)果跟網(wǎng)絡(luò)分析儀的實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本符合，為高介基板在微波頻段的應(yīng)用做了初步探索。
　　本文的第三章主要研究了Bi(SbxNbyTaz)O4（x+y+z=1）三元體系的相組成、相變以及微波介電性能等問(wèn)題。首次系統(tǒng)地研究了Bi(S

6、bxNbyTaz)O4（x+y+z=1）三元體系的相組成以及相變問(wèn)題。將Bi(SbxNbyTaz)O4（x+y+z=1）三元體系分為：I-單斜固溶體區(qū)域（x>0.78）；II-單斜、正交同存的區(qū)域（0.78>x>0.55）；III-正交三斜相變區(qū)域（x<0.55）三個(gè)區(qū)域（相圖不隨x和y的取值而發(fā)生大的變化）。從晶格結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)的角度出發(fā)，較為詳細(xì)地闡述了三元相圖中各個(gè)相區(qū)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，重點(diǎn)研究了在正交、三斜相變區(qū)域中正交相到三斜相之間

7、的相變問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)了高溫三斜相β-BiNbO4向低溫正交相α-BiNbO4相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，并確定了β-BiNbO4陶瓷不能夠穩(wěn)定存在的溫度范圍700oC～1020oC。但該結(jié)論并不適用于粉末樣品。并且在這個(gè)三元體系中開發(fā)出了一系列具有潛在應(yīng)用價(jià)值的微波介質(zhì)陶瓷：1080oC燒結(jié)的純單斜相的BiSbO4陶瓷，介電常數(shù)εr≈19.3、Qf≈70000GHz、TCF≈-62ppm/oC，不跟Ag發(fā)生明顯反應(yīng)；摻雜0.6wt.％～1.2wt.%B2O

8、3-CuO后930oC燒結(jié)的單斜相的BiSbO4陶瓷，介電常數(shù)εr≈19.5、Qf≈45400GHz～33700GHz、TCF≈-65ppm/oC；960oC燒結(jié)的Bi(Sb0.6Ta0.4)O4陶瓷，εr≈27、Qf≈35000GHz、TCF=-12ppm/oC；960oC燒結(jié)的Bi{Sb0.6(Nb0.992V0.008)0.4}O4陶瓷，εr≈34.7、Qf≈16000GHz、TCF=+16.1ppm/oC。
　　在本文的第

9、四章中，開發(fā)并研究了Bi2O3-MoO3二元體系超低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)特性、微波介電性能、金屬電極燒結(jié)匹配問(wèn)題以及多層電容器具體應(yīng)用問(wèn)題。首先，從Bi2O3-MoO3二元體系的相圖出發(fā)，設(shè)計(jì)并制備了一系列的二元氧化物，發(fā)現(xiàn)在xBi2O3-(1-x)MoO3中，隨著x值從0.2增加到0.5，樣品的成瓷溫度幾乎線性地從600oC增加到了750oC。當(dāng)x=0.875時(shí)，其燒結(jié)溫度穩(wěn)定在820oC附近。整體來(lái)講，富含MoO3的區(qū)域比富含B

10、i2O3的區(qū)域具有更低的燒結(jié)溫度。這個(gè)體系中有三個(gè)具有良好微波介電性能的配方組成：620oC燒結(jié)的Bi2Mo3O12陶瓷，εr≈19、Qf≈21800GHz、TCF≈-215ppm/oC，跟Ag發(fā)生反應(yīng)但是跟Al不發(fā)生反應(yīng)；640oC燒結(jié)的Bi2Mo2O9陶瓷，εr≈38、Qf≈12500GHz、TCF≈+31ppm/oC，跟Ag發(fā)生反應(yīng)但是跟Al不發(fā)生反應(yīng)；750oC燒結(jié)的Bi2MoO6陶瓷，εr≈31、Qf≈16700GHz、TCF

11、≈-114ppm/oC。使用等價(jià)鑭系離子La3+和Nd3+對(duì)Bi2Mo2O9中的Bi3+進(jìn)行取代，來(lái)調(diào)節(jié)其微波介電性能，尤其是TCF值，獲得的(Bi0.8La0.2)2Mo2O9陶瓷具有近零的溫度系數(shù)TCF≈-4.6ppm/oC，其介電常數(shù)εr≈32.7、Qf≈13490GHz、燒結(jié)溫度為650oC。在第四章的最后一小節(jié)中，初次嘗試制備了Bi2Mo2O9基、Al做內(nèi)電極的超低溫?zé)Y(jié)多層電容器MLCC，在645oC下成功燒結(jié)制備了Bi2M