Li-Mg-Nb系微波介质陶瓷改性研究

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近年来,随着移动通信全球性的普及,作为微波通信系统中的关键性材料,微波介质陶瓷以谐振器、滤波器、微波振荡器、介质双工器以及微波天线等微波元器件的形式成为整个系统必不可少的关键材料。微波介质陶瓷材料对于当今5G以及未来6G的发展具有重要影响。然而,应用在通信系统中的微波介质材料一般应具有较高的介电常数(εr),低的介质损耗(tanδ)(或高Q值)以及好的温度稳定性(谐振频率温度系数(τf)近零)。因此,研发出具有良好性能的微波介质陶瓷新体系是国家通信领域的重要关键技术之一。本文中所有陶瓷样品均采用传统固相反应法合成。以Li3Mg2NbO6微波介质陶瓷作为基体材料,利用低熔点玻璃掺杂、两相复合等手段,旨在获得具有低烧结温度、高Q×f值及近零τf值的微波介质陶瓷材料体系。利用X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)、扫描电镜(SEM)和网络分析仪等仪器对陶瓷材料的物相结构和介电性能等进行分析,得出以下主要结论:1.为了降低Li3Mg2NbO6陶瓷材料的烧结温度,使其能够兼容低温共烧陶瓷(LTCC)技术,本文利用低熔点的Li2O-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3(LBSCA)玻璃作为烧结助剂,以期达到降低烧结温度的目的。研究结果发现,添加适量的LBSCA玻璃能有效降低烧结温度至960℃以下,且无第二相产生。当LBSCA玻璃掺杂量为0.5 wt.%且烧结温度在925℃时,样品的微波介电性能较为优异:er=15.16,Q×f=90557 GHz,tf=-16.22 ppm/℃。2.为了得到高温度稳定性即tf值近零的微波介质陶瓷材料,采用传统固相合成工艺,制备出了两相共存的Li3Mg2NbO6-Ba3(VO42以及Li3Mg2NbO6-CaTiO3复合微波介质陶瓷材料。(1)对于Li3Mg2NbO6-xBa3(VO42(x=0.2-0.5)体系,当x值从0.2增加到0.5时,谐振频率温度系数从-3.16 ppm/℃增加到+11.8 ppm/℃;当x=0.3时,Li3Mg2NbO6-xBa3(VO42陶瓷材料在1025℃时烧结4 h的性能最优,其微波介电性能为:?r=15.36,Q×f=64830 GHz,tf=+1.55 ppm/℃。(2)对于Li3Mg2NbO6-xCaTiO3(x=0.04-0.1),当x值从0.04增加到0.1时,谐振频率温度系数从-8.7 ppm/℃增加到+5.83 ppm/℃;当x=0.08时,Li3Mg2NbO6-xCaTiO3陶瓷材料在1125℃下烧结4 h的性能较为优异:?r=16.45,Q×f=131711 GHz,tf=-2.2 ppm/℃。3.在保证谐振频率温度系数近零的前提下,为了获得满足LTCC技术要求的低温烧结微波介质陶瓷材料,采用Li2O-MgO-B2O3(LMB)玻璃作为助烧剂对Li3Mg2NbO6-0.1CaTiO3陶瓷进行降烧。随着LMB玻璃含量的增加,tf值逐渐降低。当LMB玻璃添加量为2 wt.%时,该体系能够在925℃实现低温烧结,且具有较好的微波介电性能:er=13.54,Q×f=58120 GHz,tf=+1.2 ppm/℃。
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