低烧低介Li2(Mg1-xZnx)SiO4陶瓷材料及其性能

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随着通信频率向高频拓展,低介电常数、高品质因数的微波介质陶瓷材料得到广泛的应用。而低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)技术是实现微波元器件小型化、集成化、多功能化的重要途径。因此,开发具备低介电常数、高品质因数的微波介质陶瓷材料,同时降低其烧结温度,具有十分重要的研究意义。Li2MgSiO4微波介质陶瓷的介电常数为56,品质因数Q高达15000GHz,并且能够与Ag金属共烧,然而,其烧结温度较高,必须将其烧结温度降低至960℃以下,才能在LTCC中发挥其性能优势。本论文首先研究了Zn2+离子置换Mg2+离子对Li2MgSiO4陶瓷的晶相结构、微观形貌及介电性能的影响。然后在最佳配方的基础上分别研究了自制的玻璃A、LMZBS玻璃及LiF-Bi2O3复合添加剂对Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷的低温烧结性能的影响,并在此基础上,探究Co2+离子取代Mg2+离子对材料性能的影响。最后选取TiO2对玻璃A助烧的Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷的谐振频率温度系数进行调整。主要研究结果如下:(1)研究了Zn2+离子取代Mg2+离子对Li2MgSiO4陶瓷的晶相结构、微观形貌及介电性能的影响。研究发现,当Zn2+取代量为0.2时,制得的陶瓷样品只含有Li2MgSiO4相。Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷在1200℃烧结2h的综合介电性能最佳:εr=5.8,Q×f=49607GHz,τf=-148ppm/℃。(2)研究了玻璃A、LMZBS玻璃、LiF-Bi2O3复合添加剂及Co2+取代对Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷烧结性能的影响。研究发现,添加玻璃A或LMZBS或Li F-Bi2O3均可将Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷的烧结温度降低至900℃,且不引入杂相。其中,1.5wt%玻璃A+Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷的综合介电性能最佳:εr=6.1,Q×f=43594GHz,τf=-129ppm/℃;5wt%LMZBS+Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷的介电性能为:εr=5.9,Q×f=25660GHz,τf=-204ppm/℃;3wt%LiF+3wt%Bi2O3+Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷的介电性能为:εr=6.4,Q×f=23868GHz,τf=-125ppm/℃。在3wt%LiF+3wt%Bi2O3助烧的基础上,采用Co2+取代Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4中的Mg2+,虽未引入杂相,但其品质因数有所恶化。当Co2+的取代量为0.02时,900℃烧结2h的Li2(Zn0.2Mg0.78Co0.02)SiO4陶瓷的介电性能为:εr=6.2,Q×f=13514GHz,τf=-120ppm/℃。(3)研究了TiO2对玻璃A助烧的Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷的谐振频率温度系数的影响。研究发现,添加TiO2可以明显改善玻璃A助烧的Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷的谐振频率温度系数,但引入了Li2(TiO)(SiO4)相和Li2Ti2O4相,其介电常数也因TiO2的加入而增大,其Q×f也有所恶化。当添加35wt%的TiO2,在950℃烧结2h的Li2(Mg0.8Zn0.2)SiO4陶瓷的综合介电性能最佳:εr=10.2,Q×f=22073GHz,τf=1.7ppm/℃。
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