论文部分内容阅读
BaO-TiO2-Nb2O5系介质材料是一个新兴的高频介质陶瓷材料体系,该体系中化合物数量较多,且部分配方高频、微波介电性能优良,具有较高的介电常数(30～60),低损耗和近零的介电常数温度系数。与其它介质陶瓷材料体系相比,BaO-TiO2-Nb2O5系陶瓷材料的固有烧结温度较低(1250～1300℃),易于实现低温烧结,并且材料组成中不含昂贵的稀土元素或有毒元素,是一种具有开发潜力的绿色环保高频介质陶瓷材料体系。本论文对BaO-TiO2-Nb2O5系中多种介质材料进行了合成与测试,获得了一种固有烧结温度较低且介电性能优良的介质陶瓷材料Ba2Ti3Nb4O18。Ba2Ti3Nb4O18材料在1250℃左右致密烧结且介电性能优良,高频下(1MHz)：εr≈38,tanδ<5×10-4,-10<τε<10ppm/℃；微波下：εr≈38,Q×f=14000GHz,τf≈-10ppm/℃。
为实现BaO-TiO2-Nb2O5系介质陶瓷材料的低温烧结,添加了硼酸盐玻璃ZnO-B2O3(ZB)和ZnO-B2O3-SiO2(ZBS)作为低烧助剂,硼酸盐玻璃可以在较低的温度下形成液相促进烧结。添加3～7wt％ZB玻璃,可以将Ba2Ti3Nb4O18材料的烧结温度降低300℃,实现其在950℃致密烧结,获得的高频性能如下(1MHz下测试)：εr≈37,tanδ<5×10-4,-10<τε<10ppm/℃。添加了1～3wt％ZBS玻璃的Ba2Ti3Nb4O18材料可实现950℃下致密烧结且高频介电性能优良：εr≈36,tanδ<5×104,-10<τε<10ppm/℃。添加少量ZBS玻璃的Ba2Ti3Nb4O18瓷料可在950℃下与钯银(Pd:Ag=1:9)内电极共烧,由该瓷料制备的MLCC器件性能良好(εr=38,tanδ<5×10-4,-10<τε<15ppm/℃,绝缘电阻IR>1011Ω),符合EIA标准定义的NPO温度特性。
在添加了硼酸盐玻璃的Ba2Ti3Nb4O18材料配方基础上,研究了机械力球磨作用对粉料粒径、陶瓷样品的液相烧结过程及性能的影响。球磨6小时的粉料颗粒粒径适中(约90nm),比表面能高、粉体活性强,且利于液相烧结过程中的颗粒重排和溶入析出过程的进行。用球磨6小时的粉体制备的添加5wt％ZB玻璃的Ba2Ti3Nb4O18陶瓷样品可900℃下烧结,并具有优良的高频介电性能(1MHz)：εr≈36,tanδ<2×10-4,τε≈-2.5ppm/℃；其微波介电性能如下：εr=33.3,Q×f=14274GHz,TE011≈5.998GHz。
在Ba2Ti3Nb4O18陶瓷材料中添加少量锂盐,可以促进Ba2Ti3Nb4O18相分解和新相Ba3Ti4Nb4O21、LiNbO3相的生成,增加材料的反应活性,有效降低烧结温度。其中,以LiNO3形式添加的锂盐对Ba2Ti3Nb4O18陶瓷材料的低温烧结效果最明显。添加4～8mol％(即0.25～0.5wt％)LiNO3的Ba2Ti3Nb4O18材料在1000℃可烧结致密,其高频介电性能如下(1MHz)：εr≈39,tanδ=2×10-4,τε≈-2ppm/℃。硼酸盐玻璃和锂盐对Ba2Ti3Nb4O18介质陶瓷材料的降温机制不同,复合添加硼酸盐玻璃和锂盐可以用更少的助烧剂添加总量,取得更好的低温助烧效果。复合添加1wt％ZB玻璃、0.25wt％LiNO3和0.25wt％Li2CO3,可实现Ba2Ti3Nb4O18陶瓷材料在900℃致密烧结,且高频介电性能优良(1MHz):p≈5.033g/cm3,εr≈36,tanδ<5×10-4,τε<2ppm/℃。该配方瓷料可以在900℃与银内电极共烧,满足LTCC工艺要求,亦可作为中介电常数NPO温度特性低温烧结MLCC瓷料使用。
复合添加硼酸盐玻璃与锂盐是一种高效的烧结助剂,复合添加1.5～6wt％的硼酸盐玻璃与锂盐助烧剂,可有效的将多种介电陶瓷材料的烧结温度有效降低300℃以上。复合添加硼酸盐玻璃与锂盐低温烧结助剂的有效助烧效果可以作用在钙钛矿结构(SrTiO3,CaZrO3),新型钨青铜结构(Ba4.5Ti18Nd9O54),其他复杂结构(Ba2Ti3Nb4O18,Ba3Ti4Nb4O21)等上,所涉及的体系有Ba-Ti-Nb-O、Sr-Ti-O、Ca-Zr-O、Ba-Nd-Ti-O等,说明复合添加硼酸盐玻璃和锂盐烧结助剂具有一定的普适性作用。