低K微波介质材料的制备与结构/性能调控研究

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近年来随着通讯行业逐渐向高频化方向发展,保障器件在高频下的工作稳定性显得尤为重要。这就对器件的制造材料提出了更高的要求,即更高的频率稳定性和更低的介电损耗。Zn2SiO4、Mg2SiO4微波介质材料介电常数(ε<15)较低且Q值较高,但其谐振频率温度系数(TCF)负值较大限制了其应用前景。本文采用固相反应法制备了Zn2SiO4和Mg2SiO4基陶瓷。通过添加TCF值为正的TiO2和Li2SnO3,对Zn2SiO4和Mg2SiO4陶瓷的TCF值和烧结温度进行调控并对其样品的晶体结构、微观形貌和微波介电性能进行了研究。所有Zn2SiO4-xTiO2陶瓷在1180℃~1260℃下保温2h均烧结良好。扫描电镜观察到所有陶瓷基体烧结致密,晶粒均匀,晶界清晰。Zn2SiO4和TiO2共存于所有Zn2SiO4-xTiO2陶瓷中,没有发现其他晶相的存在,说明Zn2SiO4和TiO2在Zn2SiO4-xTiO2体系中化学兼容。随着TiO2的添加从0.139增加到0.362,Zn2SiO4-xTiO2的介电常数从7.3增加到9.7,TCF 值从-40.8ppm/℃ 变化为-1.1ppm/℃,Q·f 值从 95,800GHz 下降到 74200GHz。当 x=0.362时,Zn2SiO4基陶瓷的 TCF 值被调节至近零,获得了 εr=9.7,Q.f=74200ghz,TCF=-1.1ppm/℃的微波介质陶瓷。采用固相反应法制备了(1-x)Zn2SiO4-xLi2SnO3(0.6≤x≤0.9)微波介质陶瓷。采用XRD研究了其晶体结构,发现Zn2SiO4和Li2SnO3在(1-x)Zn2SiO4-xLi2SnO3(0.6≤x≤0.9)体系中不能共存。随着Li2SnO3添加量从0.6增加到0.9,体系中介电常数从10.6增加到11.5,Q.f值从 29,000GHz 下降到 10,700GHz,TCF 值从-142ppm/℃变化为-14.9ppm/℃。0.1Zn2SiO4-0.9Li2SnO3 陶瓷在 1280℃ 烧结保温 2h 可以得到 εr=11.5,Q.f=10,700GHz,TCF=-14.9ppm/℃的良好微波介电性能。采用固相反应法制备了Mg2SiO4-0.193TiO2陶瓷,研究了 Mg2SiO4与TiO2的化学兼容性和微波介电性能。当烧结温度低于1300℃时,Mg2SiO4和TiO2仍发生反应,有MgTi2O5和MgSiO3晶相生成,MgTi2O5和MgSiO3晶相含量随烧结温度的升高而增加,因此,TiO2不能调节Mg2SiO4陶瓷的TCF值,因为TiO2和Mg2SiO4在Mg2SiO4-TiO2体系中不能共存。经 1300℃烧结保温 2h 后的 Mg2SiO4-0.193TiO2 可以得到εr=7.9,Q.f=69100GHz,TCF=-65ppm/℃的微波介电性能。研究了添加烧结助剂CuO对Mg2SiO4-0.44TiO2陶瓷化学兼容性和微波介电性能的影响。结果表明,Mg2SiO4-0.44TiO2+xwt%CuO(2≤x≤5)陶瓷在1140℃~1120℃保温2h烧结良好。烧结助剂CuO的引入虽然可以将陶瓷的烧结温度从1300℃降至1190℃,但Mg2SiO4和TiO2仍相互反应,生成MgTi2O5、MgSiO3等晶相。在1190℃烧结保温 2h 的 Mg2SiO4-0.44TiO2+4wt%CuO 可以得到 εr=9.3,TCF=-47.2ppm/℃,Q·f=26,300GHz的微波介电性能。研究了 MnO2和MnCO3对0.9Mg2SiO4-0.1TiO2陶瓷的化学兼容性和微波介电性能。MnO2或MnCO3的引入可以降低陶瓷的烧结温度,但仍不能阻止Mg2SiO4与TiO2之间的化学反应,所以Mg2SiO4基陶瓷的TCF值仍不能调节至零。
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