Ca-Mg-Si基陶瓷材料改性研究

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随着电子信息设备产业不断向小型化、高频化、集成化方向发展,其对电子材料的性能提出了更高的要求。CaMgSi2O6(CMS)微波介质陶瓷因具有较低的介电常数(εr~7.46)和较高的品质因数(Q×f~59638 GHz),非常适合应用于微波通信,极低的介电常数使其成为制备微波基板的理想材料,因而受到了国内外的广泛关注。但其过高的烧结温度很大程度上限制了它的实际应用。近几年,大量经过改性的具有优异微波介电性能的CaMgSi2O6系陶瓷被报道。遗憾的是,作为制备微波基板的候选材料,抗弯强度这一重要特性鲜有报道。因此本文的主要研究内容是研究CaMgSi2O6陶瓷的介电性能和机械性能,通过优化工艺、调整配方、掺杂稀土氧化物和低熔点玻璃等方法,在保证其介电性能不过度恶化的前提下,改善材料的烧结特性和机械性能,满足陶瓷基板的低温烧结要求。实验过程中,首先采用传统固相法在不同预烧温度下制备出CMS陶瓷,并讨论了烧成样品的物相结构、微观形貌、介电性能和机械性能,结果表明,适宜的预烧温度利于原料间的初步反应,促进陶瓷致密化程度,最终确定1150℃为CMS陶瓷的预烧温度。随后,本文研究了CaO和MgO含量对CMS陶瓷综合性能的影响,当调整CaO或MgO的比例后,陶瓷表面气孔增多,致密度下降,材料的抗弯强度和Q×f均有所降低。接下来用La2O3掺杂CMS陶瓷,研究了La2O3对陶瓷相结构、微观形貌和综合性能的影响,XRD结果表明,新相La2O3的相对含量随其掺杂量的增加而增加,表明La3+没有成功取代Ca2+的位置形成稳定固溶体。当La2O3的掺杂量超过0.02时,材料的密度和介电常数逐渐变大,但是,掺杂后陶瓷晶粒不均匀,平均粒径增大,导致了材料抗弯强度降低。最后,为了实现CMS陶瓷的低温烧结,选用了KBS和LZB两种玻璃作为烧结助剂,并在物相组成、微观形貌、烧结动力学和综合性能等方面对制备的样品进行了系统的研究,结果表明,KBS和LZB玻璃均能有效降低CMS陶瓷的烧结温度,掺杂了KBS的样品结构疏松且富Si玻璃掺杂量高,材料介电常数和抗弯强度低,在850℃烧结温度下制备的0.5CaMgSi2O6-0.5KBS玻璃陶瓷介电性能如下:εr=4.58,Q×f=13989 GHz,σ=71 MPa;而掺杂了LZB的样品在950℃烧结温度下合成的0.95CaMgSi2O6-0.05LZB陶瓷具有较好的抗弯强度,性能如下:εr=7.89,Q×f=17336 GHz,σ=150 MPa。
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