B2O3改性SiO2微波介质材料

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SiO2是一种重要的绝缘材料,非晶相、石英相及方石英相的SiO2均具有优良的微波介电性能,但存在制备困难的问题。本论文以低熔点的B2O3作为改性剂,系统研究了B2O3的引入对非晶相及石英相SiO2烧结特性、相组成、微结构及微波介电性能的影响。采用标准固相烧结法,制备了B2O3改性非晶SiO2样品xB203-(1-x)SiO2(x= 0.05-O.35)。烧结温度为1000℃时,随着x的增大,方石英相的含量逐渐减少直至消失。在烧结后的降温过程中,由于方石英相在265℃发生高-低温方石英相变,同时伴随较大的体积变化(约3.2%),导致x=0.05-0.15的试样发生开裂,而x=0.20-0.35的试样则无裂纹。随着x从0.20增加到0.35,样品的致密化温度及其最高的相对密度逐渐降低。而获得最高Qf值的烧结温度明显高于相应的致密化温度,这可能是由于较高的烧结温度使B2O3的分布更加均匀。对于x=0.20的试样,1100℃下烧结时得到95.3%的相对密度及如下最佳综合微波介电性能:超低的介电常数εr=3.56,高的Qf=70,600 GHz,低的谐振频率温度系数τf=-11.4 ppm/℃。采用标准固相烧结法,制备了B2O3-改性石英相SiO2样品xB2O3-(1-x)SiO2(x =0.05-0.35)。烧结温度为1000℃时,x=0.05-0.15的样品中发现大量方石英相,导致样品开裂;而x=0.20-0.35的样品中则只观测到石英相的衍射峰,且衍射峰的强度随烧结温度的升高而降低,表明了烧结过程中石英相向非晶相的转变。当x从0.20增加到0.35时,致密化温度逐渐降低,样品获得最高Qf值对应的烧结温度明显高于致密化温度,这可能是由于较高的烧结温度促进了石英相向非晶相的转变及B2O3更加均匀的分布。对于x=0.30的试样,750℃下烧结时得到98.2%的相对密度及如下最佳综合微波介电性能:超低介电常数εr=3.76,较高的Qf=11,000 GHz,低谐振频率温度系数τf=-13.3 ppm/℃。很低的烧结温度预示了其在低温共烧方面具有广阔的应用前景。
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