0.4CaTiO3-0.6(Li1/2Nd1/2)TiO3陶瓷低温烧结及其介电性能研究

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现代移动通信设备正向着小型化、高频化、集成化及低成本化方向发展,对以微波介质陶瓷为基础的微波元器件提出了更高的要求。基于低温共烧陶瓷技术(Low temperature co-fired ceramic, LTCC)为基础的多层结构设计可有效减小器件体积,是实现元器件向小型化、集成化、高可靠性和低成本化发展的重要途径。LTCC技术关键是对能与Ag、Cu电极共烧的LTCC微波介质陶瓷的研制。目前使用的微波介质陶瓷的烧结温度大都比较高(>1300℃),故降低微波介质陶瓷的烧结温度到Ag(961℃)和Cu(1083℃)的熔点温度以下以满足共烧的需求是今后的发展方向。(1-x)CaTiO3-x(Li1/2Nd1/2)TiO3微波介电陶瓷具有正交钙钛矿结构,由于具有优异的微波介电性能而受到了广泛关注。Liu等研究发现,在x=0.6时即0.4CaTiO3-0.6(Li1/2Nd1/2)TiO3(CTLNT)能够获得较好的微波介电性能(εr=112.6,Q·f =4480GHz,τf =8.2ppm/℃)。但是该体系烧结温度在1300℃以上,远不能满足与Ag、Cu共烧的要求。本文回顾了微波介质陶瓷的发展,借鉴了其他微波介质陶瓷体系低温烧结取得的成功经验,以CTLNT陶瓷为研究对象,通过不同烧结助剂掺入对CTLNT陶瓷烧结特性、相组成、微观形貌和介电性能的影响,阐明低温烧结陶瓷相组成、微观形貌与介电性能之间的内在规律;初步探讨了CTLNT陶瓷低温烧结具体机制和致密化过程。1. BaCu(B2O5)(BCB)助烧通过传统的固相反应法合成了BCB,选择BCB作为烧结助剂,加入少量的BCB烧结助剂可以使CTLNT陶瓷的烧结温度由1300℃降至1050℃。BCB的掺杂没有改变CTLNT陶瓷的钙钛矿结构,添加4wt%BCB的CTLNT陶瓷在1050℃烧结2h获得最佳的介电性能:εr =96.5,tgδ=0.017,τf =-13.6ppm/℃。2. 2ZnO-B2O3(ZB)玻璃助烧用熔融淬火法制备出ZB玻璃,选择ZB玻璃作为烧结助剂,加入少量的ZB玻璃烧结助剂可以使CTLNT陶瓷的烧结温度由1300℃降至950℃。少量ZB玻璃的掺杂没有改变CTLNT陶瓷的钙钛矿结构,添加3wt%ZB玻璃的CTLNT陶瓷在950℃烧结2h获得最佳的介电性能:εr =91.1,tgδ=0.013,τf =10.5ppm/℃。3.复合助烧剂助烧研究了复合添加BCB和ZB玻璃对CTLNT微波介质陶瓷的烧结特性、相组成、微观形貌及介电性能的影响。结果表明:复合添加3wt%ZB玻璃和5wt%BCB能使CTLNT陶瓷的烧结温度从1300℃降低至925℃。相对介电常数(εr)随着BCB添加量的增加先增大后略有减小;介电损耗(tgδ)随着BCB添加量先下降后趋于稳定;频率温度系数(τf)更加趋近于零。复合添加3wt%ZB玻璃和5wt%BCB的CTLNT陶瓷在925℃烧结2h,获得了最佳的综合介电性能:εr =83.2,tgδ=0.013,τf =35.7ppm/℃,满足高介多层片式微波元器件的设计要求。4. CTLNT陶瓷的低温烧结机理BCB助烧CTLNT陶瓷、ZB玻璃助烧CTLNT陶瓷和复合助烧CTLNT陶瓷均为液相促进烧结。
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