mg 2 sio 4 微波介质陶瓷的介电性能及其制备方法
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Mg 2 SiO 4 微波介质陶瓷的介电性能及其制备方法. 演讲人:王月. 目录. 1. Mg 2 SiO 4 微波介质陶瓷晶格结构. 2. Mg 2 SiO 4 微波介质陶瓷介电性能. Mg 2 SiO 4 微波介质陶瓷制备工艺. 3. 4. Mg 2 SiO 4 微波介质陶瓷存在的问题. 1.Mg 2 SiO 4 微波介质陶瓷晶格结构. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
L/O/G/O
Mg2SiO4 微波介质陶瓷的介电性能及其制备方法
演讲人:王月演讲人:王月
Mg2SiO4 微波介质陶瓷晶格结构
Mg2SiO4 微波介质陶瓷介电性能
Mg2SiO4 微波介质陶瓷制备工艺
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1
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目录
Mg2SiO4 微波介质陶瓷存在的问题Mg2SiO4 微波介质陶瓷存在的问题
1.Mg2SiO4 微波介质陶瓷晶格结构
Mg2SiO4(Forsterite) 是地幔中的主要成分,常被称为镁橄榄石。 Mg2SiO4 是由 Si-O 四面体和 Mg-O 八面体通过共顶、共棱架构而成,且 Si-O 四面体不互相连接的孤立的岛状硅酸盐化合物,如图所示为其晶体结构。
( 1 ) [SiO4] 四面体:硅氧四面体是孤立的, Si4+ 位于四面体中心, O2- 位于四面体角顶;Si—O 平均距离 0.160 nm ,电负性差 D = 1.7 ,说明 Si—O 键并非纯离子键结合,而是具有相当高的共价键成分,离子键和共价键大约各占一半。
Si
O
O
O
O
这是 Mg2SiO4 具有低介电常数的本质特性!这是 Mg2SiO4 具有低介电常数的本质特性!( 001 )立体俯视图( 001 )立体俯视图
( 2 )硅氧四面体之间是由镁离子按镁氧八面体的方式相连的。每一个 O2- 离子和三个 Mg2+ 离子以及一个 Si4+ 离子相连,电价是平衡的。
( 2 )硅氧四面体之间是由镁离子按镁氧八面体的方式相连的。每一个 O2- 离子和三个 Mg2+ 离子以及一个 Si4+ 离子相连,电价是平衡的。
2.Mg2SiO4 微波介质陶瓷介电性能Mg2SiO4 具有优良的微波介电性能:εr=6~7 Qf=240,000GHz τf=-60×10-6/℃ 。
由上面可知, Mg2SiO4 具有低的介电常数,高的 Qf 值,相比 A12O3 陶瓷具有低的烧结温度,是比较适合作为低介电常数介质谐振器的一种微波介质材料,同时也常作为电子电路中的基版材料。
由上面可知, Mg2SiO4 具有低的介电常数,高的 Qf 值,相比 A12O3 陶瓷具有低的烧结温度,是比较适合作为低介电常数介质谐振器的一种微波介质材料,同时也常作为电子电路中的基版材料。
2.1 Mg2SiO4 微波介质陶瓷的掺杂改性
为了将材料的谐振温度系数调节至近零,通常使用下面两种方法:
1 )添加具有正的谐振温度系数的改性剂 2 )形成固溶相 研究人员为了将 Mg2SiO4 陶瓷谐振频率温度系数 τf 调节至近零
,通常选择 TiO2 作为改性剂,因为其具有高 τf ( 450ppm/℃)值。
当向 Mg2SiO4 陶瓷中添加 24wt% 的 TiO2 时,材料的烧结温度从 1350℃ 大幅降低至 1200℃ ,且谐振频率温度系数也调节至近零。
由图已知,当烧结温度>1400℃ , Qf 和 τf 急剧下降,这是因为生成 MgTi2O5
and MgSiO3
Sub title
结论
TiO2 不仅可以将谐振温度系数调节近零,还可以降低烧结温度。
TiO2 不仅可以将谐振温度系数调节近零,还可以降低烧结温度。
考虑到在高温下 TiO2 容易与 Mg2SiO4 反应而削弱其对材料谐振频率温度系数的调节功能。 H.Ohsato 等人试图将 TiO2 微小颗粒与 Mg2SiO4 多孔陶瓷物理复合以达到调节温度系数的目的。
具体工艺过程是:先将 Mg2SiO4 与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 复合制备成多孔陶瓷,然后利用液相沉淀法(Liquid Phase Deposition , LPD) 将 TiO2 颗粒填充至微孔中。当 TiO2 沉淀量为 16.9wt% 时,材料的谐振频率温度系数被调节至 -5ppm/℃ ,但是 Qf 下降急剧。
为了将 Mg2SiO4 陶瓷谐振频率温度系数调节近零,研究人员也会采取形成固溶相的方法来实现。为了改善 Mg2SiO4 陶瓷的微波介电性能 , 选择用 Zn2+ 来置换 Mg2+ ,由于 Zn 离子半径(rZn2+=0.74nm) 与 Mg 离子半径 (rMg2+=0.72nm) 接近 , 满足能够满足固溶体的必要条件之一:
但是,这两者具有不同的晶体结构,因此不能无限固溶。浙江大学的陈湘明等人发现 Zn 置换 Mg 有利于降低 Mg2SiO4 的烧结温度和改善 Mg2SiO4 的微结构 ,并对不同 Zn/Mg摩尔比的 (Mg1-xZnx)2SiO4进行研究,其介电性能如下表所示
10.7
10.0
10.1
10.2
10.5
-63
-67
-69
-68
-59
7.5
7.3
7.8
7.2
112,780
74,830
71,210
40,140
53,010
0
0.05
0.1
0.2
0.4
f0 (GHz)
εr Qf (GHz) τf (ppm/℃)
7.5 7.5
10.9
10.8
10.8
10.7
11.0
-60
-55
-58
-53
-58
6.6
6.8
7.0
7.0
6.7
95,650
81,320
78,540
21,170
35,330
0.6
0.8
0.9
0.95
1.0
x εr Qf τf
A 0.1 10.0 129,858 -49.6ppm/℃
B 0.55 9.03 525,000 0.6 ppm/℃
C 0.07 6.87 105,000 -71.8 ppm/℃
D 0.025 6.71 180,000 -71.1 ppm/℃
A:(1-x)CaWO4-XMg2SiO4 B:(1-x)Ba3(VO4)2-xMg2SiO4
C:(1−x)Mg2SiO4–xCa2SiO4 D:(1−x)Mg2SiO4–xMn2SiO4
2.2 抑制 MgSiO3 杂相的生成
在 Mg2SiO4 陶瓷过程中,存在一个关键问题尚未解决,即MgSiO3第二相的消除问题。浙江大学的陈湘明研究小组通过改变Mg/Si摩尔比有效地抑制 MgSiO3 相的出现,当 Mg/Si=2.025 和 2.05 时,材料形成了单一的橄榄石相。
3.Mg2SiO4 微波介质陶瓷制备工艺
Mg2SiO4 微波介质陶瓷主要分为溶胶 -凝胶法和固相合成法。两者的区别在于前驱体粉末的制备,前者是利用化学的方法合成前驱体粉末,可以实现纳米尺度上的混合。而后者则是是氧化物的直接机械混合,与其前者相比,具有工艺简单,成本低,可大规模生产的优点。下面简述 2种主要获得Mg2SiO4 微波介质陶瓷制备方法:
3.1 固相合成法
1.配料:2MgO+SiO2
1.配料:2MgO+SiO2 700℃煅烧
3h700℃煅烧3h
80℃热烘24h80℃热烘24h
2.混料( ZrO2球和无水乙醇球磨12h )
2.混料( ZrO2球和无水乙醇球磨12h )
3.烘干(红外烘干箱)3.烘干(红外烘干箱)
4.预烧:(放于氧化铝坩埚内12O0℃ 一 1350 /3h℃ )
4.预烧:(放于氧化铝坩埚内12O0℃ 一 1350 /3h℃ )
5.二次球磨: 3h5.二次球磨: 3h
6.造粒成型: 6wt%PVA 、压制 Φ15的片子6.造粒成型: 6wt%PVA 、压制 Φ15的片子
7.排胶、烧结:( 12O0℃ 一1350℃ ) /3h7.排胶、烧结:( 12O0℃ 一1350℃ ) /3h
特别注意:在排胶过程中,要将胚体加热至 600 ℃保温3h 。随后在烧结过程中,以 5℃/min升至烧结温度保温3h ,随后又以 5℃/min 降至 1050℃ ,之后在随炉冷却至室温。
特别注意:在排胶过程中,要将胚体加热至 600 ℃保温3h 。随后在烧结过程中,以 5℃/min升至烧结温度保温3h ,随后又以 5℃/min 降至 1050℃ ,之后在随炉冷却至室温。
成瓷成瓷
3.2 溶胶 -凝胶合成法
Mg(NO3)26H2OMg(NO3)26H2O (C2H5O4)Si(C2H5O4)Si
Mg2+ 的乙醇溶液Mg2+ 的乙醇溶液
正硅酸乙脂的乙醇 正硅酸乙脂的乙醇
前驱体溶液前驱体溶液
干胶( 120 ℃烘干)
干胶( 120 ℃烘干)
粉末(高温煅烧 700-900)粉末(高温煅烧 700-900)
4.Mg2SiO4 微波介质陶瓷存在的问题
Mg2SiO4 微波介质陶瓷具有较大负谐振频率温度系数、较高烧结温度和存在杂相的缺点,目前只有少量的关于其谐振频率温度系数调节、低温烧结和抑制杂相生成的报道,并且该体系的性能并没有得到最优化,同时与 Ag 电极共烧情况报道较少,且缺少其在微波器件上的实际应用。
Mg2SiO4 微波介质陶瓷具有较大负谐振频率温度系数、较高烧结温度和存在杂相的缺点,目前只有少量的关于其谐振频率温度系数调节、低温烧结和抑制杂相生成的报道,并且该体系的性能并没有得到最优化,同时与 Ag 电极共烧情况报道较少,且缺少其在微波器件上的实际应用。
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