CaZrO3,ZnAl2O4和Zn2SiO4微波介质陶瓷的低温烧结

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微波介质陶瓷是一种近年来迅速发展起来的新型功能陶瓷,作为谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件而被广泛应用于移动通讯、卫星通讯和军事雷达等方面。近年来微波通讯技术发展迅速,要求通讯终端尽可能小型化、集成化、多功能、低成本。为满足此要求,利用低温共烧陶瓷技术制造多层片式微波元器件,使微波介质陶瓷材料与低熔点的Ag或Cu电极共烧成为研究热点。CaZrO3陶瓷因其具有合适的介电常数和较低的介电损耗在微波条件下作为电容器以及介质谐振器有很好的实用价值,但是其烧结温度特别高,大大增加了其在实际应用中制作成本。在低介陶瓷体系中,ZnAl2O4和Zn2SiO4微波介质陶瓷材料都具有较低的介电常数和超高的品质因数,在电路封装和介质谐振天线等微波器件中有广泛的应用,但是ZnAl2O4陶瓷材料的烧结温度特别高,而Zn2SiO4陶瓷材料在达到低温烧结的同时,微波介电性能则被恶化的很厉害,导致实用性太差。因此,本文以CaZrO3、ZnAl2O4和Zn2SiO4微波介质陶瓷为研究对象,通过添加ZnO-B2O3-SiO2(ZBS)玻璃、Li2O-B2O3-SiO2(LBS)玻璃到CaZrO3和ZnAl2O4陶瓷,采用液相包覆技术引入CuO到Zn2SiO4陶瓷,研究烧结助剂对陶瓷物相组成、烧结特性、微观形貌和介电性能的影响。并探讨了Zn2SiO4陶瓷低温烧结机制和致密化过程。所得主要研究结果如下:1.纯的CaZrO3陶瓷经1550℃烧结3h致密,其微波介电性能为:εr=30,Q×f=15000GHz,τf=-26.5×10-6/℃。通过添加ZnO-B2O3-SiO2玻璃、Li2O-B2O3-SiO2玻璃等烧结助剂可以有效地降低其烧结温度,并保持较好的微波介电性能。(1)添加ZBS玻璃可以将CaZrO3陶瓷的烧结温度从1550℃降低至1000℃。当ZBS玻璃的添加量为15wt%时,1000℃烧结3h的CaZrO3陶瓷具有较好的微波介电性能:εr=25,Q×f=8584GHz,τf=-45×10-6/℃。(2)添加LBS玻璃可以将CaZrO3陶瓷的烧结温度从1550℃降低至900℃。当LBS玻璃的添加量为9wt%时,900℃烧结3h的CaZrO3陶瓷具有优异的微波介电性能:εr=28,Q×f=9359GHz,τf=-10×10-6/℃。2.纯的ZnAl2O4陶瓷需经1600℃烧结4h才能致密,其微波介电性能为εr=8,Q×f=50200GHz,τf=-63×10-6/℃。通过添加Li2O-B2O3-SiO2玻璃,研究其对ZnAl2O4陶瓷烧结性能和微波介电性能的影响添加LBS玻璃可以将ZnAl2O4陶瓷的烧结温度由1600℃降低至1250℃。当LBS玻璃的添加量为6wt%时,1250℃烧结3h的ZnAl2O4陶瓷具有较好的微波介电性能:εr=7.6,Q×f=24000GHz,τf=-58×10-6/℃。3.Zn2SiO4陶瓷在未添加烧结助剂的情况下,经1350℃烧结3h达到致密化,微波介电性能为εr=6.3,Q×f=58482GHz,τf=-42×10-6/℃。分别采用传统固相法和液相包覆法引入CuO到Zn2SiO4陶瓷中,可以在不同程度上降低其烧结温度,并保持较好的微波介电性能。液相包覆CuSO4可以把Zn2SiO4陶瓷烧结温度由1350℃降低至1000℃。当CuSO4浓度为1.0mol/L时,1000℃烧结3h的Zn2SiO4陶瓷具有优异的微波介电性能:εr=6.8,Q×f=53803GHz,τf=-47×10-6/℃。4.通过XRD、SEM、和TEM等分析手段,研究了低温烧结Zn2SiO4陶瓷的致密化机制:液相包覆引入CuO的Zn2SiO4陶瓷的低温烧结机制为液相烧结。
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