随着现代通信技术的飞速发展,特别是移动卫星通信和全球定位系统等的快速发展,小型化和轻量化的微波器件日益受到重视。低温烧结多层陶瓷器件(LTCC)可以有效地减小器件尺度,实现集成化,已受到人们的广泛关注。铌酸镁(Mg4Nb2O9、MgNb2O6)系列微波介质陶瓷因其高的品质因数,低的介电常数等优良性能,有望成为新一代高Q值微波介质基板材料。然而,标准电子陶瓷工艺制备的铌酸镁陶瓷烧结温度很高,一般在


随着现代通信技术的飞速发展,特别是移动卫星通信和全球定位系统等的快速发展,小型化和轻量化的微波器件日益受到重视。低温烧结多层陶瓷器件(LTCC)可以有效地减小器件尺度,实现集成化,已受到人们的广泛关注。铌酸镁(Mg4Nb2O9、MgNb2O6)系列微波介质陶瓷因其高的品质因数,低的介电常数等优良性能,有望成为新一代高Q值微波介质基板材料。然而,标准电子陶瓷工艺制备的铌酸镁陶瓷烧结温度很高,一般在1350~1400 °C。目前,微波介质陶瓷正朝着高频、低温烧结以及小晶粒尺寸方向发展,因此,有必要对该体系陶瓷进行改性和开展低温烧结等研究。
本文采用高能球磨法制备初期粉体,低温下合成Mg4Nb2O9、MgNb2O6相,进而空气中烧结制备了铌酸镁(Mg4Nb2O9、MgNb2O6)系列陶瓷。研究了高能球磨制备纳米粉体对Mg4Nb2O9相合成温度、相结构、显微结构、晶粒尺寸以及陶瓷的显微组织和微波介电性能的影响;通过V2O5、Li2CO3共掺杂,首次得到了低温烧结(920 °C)Mg4Nb2O9亚微米陶瓷;通过对不同球磨时间粉体制备MgNb2O6微波介质陶瓷的研究,探讨了粉体球磨时间对MgNb2O6相合成温度以及MgNb2O6陶瓷的烧结性能、相结构、显微结构和微波介电性能的影响。主要结果和结论如下:
(1) MgO-Nb2O5混合物经高能球磨后预烧,Mg4Nb2O9相含量随球磨时间、预烧温度和保温时间的增加而增加,球磨60 h粉体在900 °C保温3 h合成出粒径为50~80 nm 的Mg4Nb2O9纳米晶,有效降低Mg4Nb2O9相合成温度约150 °C。高能球磨制备的Mg4Nb2O9纳米粉体,提高了Mg4Nb2O9陶瓷的烧结能力;Mg4Nb2O9陶瓷的物相结构、显微组织结构随烧结温度变化,微波介电性能与陶瓷的密度随烧结温度的变化一致。Mg4Nb2O9陶瓷在1200 °C烧结,相对密度达到96.42 %,粒径1.5~5.0 mm,且具有优良的微波介电性能Q´f = 133 164 GHz,er = 12.6,tf = -56.69 ppm/°C。
(2) 采用高能球磨制备前驱粉体以及V2O5和Li2CO3共掺杂,有效降低Mg4Nb2O9陶瓷的烧结温度,减小Mg4Nb2O9陶瓷的晶粒尺寸。相结构和显微组织分析表明,V2O5和Li2CO3共掺杂并没有在Mg4Nb2O9陶瓷中形成第二相; V2O5添加量£1.50 wt%有助于形成液相,促进Mg4Nb2O9陶瓷920 °C实现致密化烧结。烧结温度高于950 °C,Mg4Nb2O9陶瓷晶粒异常长大导致Mg4Nb2O9陶瓷的介电性能下降。1.50 wt% Li2CO3和1.50 wt% V2O5共掺杂Mg4Nb2O9陶瓷920 °C烧结,平均粒径0.78 mm,er =12.4,Q´f = 33 803GHz,tf = -76.5 ppm/°C,是一种性能良好的高频LTCC微波基板陶瓷材料。
(3) MgNb2O6相分析研究表明,粉体经高能球磨5 h后有微量MgNb2O6相生成,且MgNb2O6相含量随球磨时间的增加而增加;球磨时间³15 h的粉体在800 °C保温4 h预烧得到MgNb2O6纯相。1180 °C烧结MgNb2O6陶瓷,随球磨时间增加,密度增大,平均粒晶减小,介电常数增大;球磨15 h粉体制备的MgNb2O6陶瓷随烧结温度从1180 °C增大到1260 °C,密度从4.63 g/cm­­3增大到4.81 g/cm­­3,平均粒晶从2.0 mm增大到5.0 mm,介电常数从16.5增大到20.0,Q´f从26 692 GHz增大到30 966 GHz。1220 °C保温4 h烧结,球磨15 h粉体制备的MgNb2O6陶瓷相对密度达到95.8 %(密度4.78 g/cm3),平均粒径3.5 mm,且具有良好的微波介电性能(er = 19.7,Q´f = 26 744 GHz)。

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