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为了满足日益发展的通信技术对高性能器件的要求，作为微波器件关键材料——微波介质陶瓷的研究异常活跃。本论文以新型低介电常数Li2O-Al2O3系微波介质陶瓷作为研究对象，通过离子取代改性、两相复合、掺入低熔点氧化物等方式制备了良好性能的LiAl5O8基微波介质陶瓷和LiAlO2基低温共烧陶瓷(LTCC)。并通过X射线衍射、扫描电子显微镜、Raman光谱、阻抗谱、网络分析仪等测试手段，对材料的晶体结构、相组成、微观形貌、微波介电性能等之间的关系做了系统性和创新性的研究。
通过固相反应方法制备了LiAl5-xZnxO8-0.5x和LiAl5-xNixO8-0.5x微波介质陶瓷，发现当取代含量x≥0.3时，材料相结构从P4332转变为Fd-3m。随着取代含量的增加，晶格常数呈现出增大的趋势。Zn2+离子和Ni2+离子受主取代都能促进LiAl5O8材料烧结致密性增加，并且伴随着晶粒长大的趋势。利用Clausius–Mossotti方程计算后发现Zn2+离子和Ni2+离子受主取代都会导致介电常数降低的趋势，这与实验结果一致。Zn2+离子和Ni2+离子受主取代LiAl5O8中的部分Al3+离子有助于促进晶格结构转变，但同时氧空位会随之增加，特别在LiAl5-xZnxO8-0.5x(0.3≤x≤0.5)中离子有序度也会随之降低，均对Q×f值的提高产生负面影响。Zn2+离子和Ni2+离子受主取代的LiAl5O8材料均会导致谐振频率温度系数τf展现出向负方向增大的趋势。
针对Zn2+离子和Ni2+离子受主取代的LiAl5O8材料仍存在烧结温度过高的不足，本论文继续研究了Li2O-Al2O3系材料中烧结温度相对较低的LiAlO2微波介质陶瓷，并且在1100℃至1300℃烧结温度下都能制备出该材料，但致密度较差且存在吸水现象。通过在B位Zn2+离子取代，经1450℃烧结可得到致密陶瓷材料，抑制了LiAlO2材料的吸水性。介电常数也随之增大，在x=0.06时，介电常数达到最大值6.45。然而使用Zn2+离子取代会导致LiAlO2材料出现氧空位，并且通过阻抗谱分析发现电导损耗也增大了。由于致密性与氧空位的综合影响，LiAl1-xZnxO2-0.5x微波介质陶瓷品质因数在x=0.02时最大，为27987GHz。而谐振频率温度系数与键能相关，随着Zn2+离子取代含量的增加，LiAl1-xZnxO2-0.5x微波介质陶瓷键能下降，因此材料的热稳定性下降、谐振频率温度系数展现出向负方向增大的趋势。
为了进一步降低LiAlO2微波介质陶瓷烧结温度、减少因二价Zn2+离子取代而引入的氧离子空位，下面通过三价[Zn0.5Si0.5]3+离子和[Mg0.5Si0.5]3+离子复合取代Al3+离子的方法继续改善LiAlO2材料的综合性能。实验发现，相对于Zn2+离子取代时的烧结温度(1450℃)，复合离子取代可以继续将材料烧结温度降低至1300℃，而且还提升了品质因数。[Zn0.5Si0.5]3+离子B位取代的品质因数相对于[Mg0.5Si0.5]3+离子取代的结果更好。对于[Zn0.5Si0.5]3+离子取代的LiAlO2微波介质陶瓷，在x=0.02时得到最佳微波介电性能为：εr=6.12、Q×f=56986GHz、τf=-122ppm/℃。利用CaTiO3材料具有正谐振频率温度系数的特性，在LiAl0.98(Zn0.5Si0.5)0.02O2微波介质陶瓷中掺入CaTiO3材料，不仅能将谐振频率温度系数调节至近零，而且将烧结温度降低到1150℃。通过掺入质量分数为7wt.%的HBO3，可以最终将烧结温度降低至900℃，此时微波介电性能为：εr=9.39、Q×f=10224GHz、τf=-7.8ppm/℃。该材料与银电极共烧时无化学反应，是一种满足LTCC要求的新型低介电常数微波介质陶瓷材料。
通过固相反应方法制备了LiAl5-xZnxO8-0.5x和LiAl5-xNixO8-0.5x微波介质陶瓷，发现当取代含量x≥0.3时，材料相结构从P4332转变为Fd-3m。随着取代含量的增加，晶格常数呈现出增大的趋势。Zn2+离子和Ni2+离子受主取代都能促进LiAl5O8材料烧结致密性增加，并且伴随着晶粒长大的趋势。利用Clausius–Mossotti方程计算后发现Zn2+离子和Ni2+离子受主取代都会导致介电常数降低的趋势，这与实验结果一致。Zn2+离子和Ni2+离子受主取代LiAl5O8中的部分Al3+离子有助于促进晶格结构转变，但同时氧空位会随之增加，特别在LiAl5-xZnxO8-0.5x(0.3≤x≤0.5)中离子有序度也会随之降低，均对Q×f值的提高产生负面影响。Zn2+离子和Ni2+离子受主取代的LiAl5O8材料均会导致谐振频率温度系数τf展现出向负方向增大的趋势。
针对Zn2+离子和Ni2+离子受主取代的LiAl5O8材料仍存在烧结温度过高的不足，本论文继续研究了Li2O-Al2O3系材料中烧结温度相对较低的LiAlO2微波介质陶瓷，并且在1100℃至1300℃烧结温度下都能制备出该材料，但致密度较差且存在吸水现象。通过在B位Zn2+离子取代，经1450℃烧结可得到致密陶瓷材料，抑制了LiAlO2材料的吸水性。介电常数也随之增大，在x=0.06时，介电常数达到最大值6.45。然而使用Zn2+离子取代会导致LiAlO2材料出现氧空位，并且通过阻抗谱分析发现电导损耗也增大了。由于致密性与氧空位的综合影响，LiAl1-xZnxO2-0.5x微波介质陶瓷品质因数在x=0.02时最大，为27987GHz。而谐振频率温度系数与键能相关，随着Zn2+离子取代含量的增加，LiAl1-xZnxO2-0.5x微波介质陶瓷键能下降，因此材料的热稳定性下降、谐振频率温度系数展现出向负方向增大的趋势。
为了进一步降低LiAlO2微波介质陶瓷烧结温度、减少因二价Zn2+离子取代而引入的氧离子空位，下面通过三价[Zn0.5Si0.5]3+离子和[Mg0.5Si0.5]3+离子复合取代Al3+离子的方法继续改善LiAlO2材料的综合性能。实验发现，相对于Zn2+离子取代时的烧结温度(1450℃)，复合离子取代可以继续将材料烧结温度降低至1300℃，而且还提升了品质因数。[Zn0.5Si0.5]3+离子B位取代的品质因数相对于[Mg0.5Si0.5]3+离子取代的结果更好。对于[Zn0.5Si0.5]3+离子取代的LiAlO2微波介质陶瓷，在x=0.02时得到最佳微波介电性能为：εr=6.12、Q×f=56986GHz、τf=-122ppm/℃。利用CaTiO3材料具有正谐振频率温度系数的特性，在LiAl0.98(Zn0.5Si0.5)0.02O2微波介质陶瓷中掺入CaTiO3材料，不仅能将谐振频率温度系数调节至近零，而且将烧结温度降低到1150℃。通过掺入质量分数为7wt.%的HBO3，可以最终将烧结温度降低至900℃，此时微波介电性能为：εr=9.39、Q×f=10224GHz、τf=-7.8ppm/℃。该材料与银电极共烧时无化学反应，是一种满足LTCC要求的新型低介电常数微波介质陶瓷材料。