微波介质陶瓷材料及其应用
功能陶瓷材料的制备与研究进展
功能陶瓷材料的制备与研究进展摘要：该文重点介绍了三种功能陶瓷的发展和制备情况，并针对我国功能陶瓷的研究存在的问题提出应对方法，以期为我国未来功能陶瓷的研究提供参考。
关键词：功能陶瓷制备研究功能陶瓷自20世纪30年代发展以来，经历了电介质陶瓷到高温超导陶瓷的发展历程，目前功能陶瓷在计算机技术、微电子技术、光电子技术等领域应用广泛，成为推动我国科技发展的重要功能性材料。
1 功能陶瓷情况介绍1.1 微波介质陶瓷微波介质陶瓷主要应用于现代通讯设备中，尤其在介质天线、滤波器、谐振器等设备中发挥着至关重要的作用。
在现代通讯技术影响下，我国十分重视微波介质陶瓷的研究和发展。
微波介质陶瓷研究对其基本要求如下。
为了实现微波元器件小型化发展要求，在使用的微波波段中微波介质陶瓷介电常数ε应尽可能的大；为了保证较好的通讯质量和良好的滤波性质，微波介质陶瓷的品质因数Q应尽可能的小；应保证谐振频率的温度系数可调节或者最大限度的小。
除此之外，还应充分分析微波介质陶瓷的绝缘电阻、传热系数等参数。
目前对微波介质陶瓷的研究、开发主要集中在以下方面。
首先，高品质因数和低介电常数的微波介质陶瓷，这类材料主要以BaO-ZnO-Nb2O5、BaO-ZnO-Ta2O5、BaO-MgO-Ta2O5或者它们之间的复合材料为代表。
当满足f≥10?GHz，Q=(1-3)×104，ε=25-30，谐振温度系数几乎为零时，可广泛应用于毫米、厘米波段的卫星直播通信系统中。
其次，中等的Q和ε微波介质陶瓷，其组成材料主要有Ba2TiO20、(Zr，Sn)TiO4以及BaTi4O9等。
当满足f≤3-4?GHz，Q=(6-9)×104，ε≈40，谐振温度系数小于等于5×10-6/℃，可作为微波军用雷达通信系统的重要器件。
最后，低Q和高ε微波介质陶瓷，以BaO、TiO2、Ln2O3为主要组成材料，该类陶瓷在目前微波介质陶瓷研究中受到人们的广泛关注。
氮化硅吸收微波
氮化硅吸收微波氮化硅吸收微波，是指一种特殊的烧结陶瓷材料，它在高频和微波频段具有较好的介电性能和吸收性能，对微波有很好的衰减作用。
在工业、医疗、军事等领域都有广泛的应用。
下面就来逐步介绍一下氮化硅吸收微波的具体情况。
第一步，烧结制备。
氮化硅吸收微波材料需要通过烧结制备，即将氮化硅粉末压制成型后，在高温、高压下进行烧结处理。
烧结温度通常在1700~1800℃之间，烧结时间较短，只需要几个小时即可完成。
这样可以使氮化硅颗粒之间紧密结合，形成坚硬的陶瓷材料，从而具备较好的耐高温、抗辐射和耐化学腐蚀性能。
第二步，测试评估。
对于氮化硅吸收微波材料，需要进行测试评估。
在测试评估的过程中，首先需要测量氮化硅吸收微波材料的介电常数和损耗角正切。
其中介电常数是指介质中电场与电势的比值，损耗角正切则表示介质具有多大的能量损失。
同时，还需要进行微波吸收性能的评估，如测试在特定频段的反射损耗值、透射损耗值等指标。
综合这些指标，评估出氮化硅吸收微波材料在不同波段下的吸收性能。
第三步，应用领域。
由于氮化硅吸收微波材料对微波有很好的衰减作用，因此在工业、医疗、军事等领域都有广泛的应用。
工业领域常用于电磁屏蔽、隔音、隔热等领域。
医疗领域则用于医疗设备的电磁屏蔽、放射治疗等方面。
在军事领域，氮化硅吸收微波材料也广泛应用于电磁波干扰、隐身掩护、雷达系统等领域。
综上所述，氮化硅吸收微波是一种具有广泛应用领域的特殊烧结陶瓷材料。
它通过烧结制备、测试评估和应用领域，展示出了其在不同领域的广泛应用前景。
微波介质陶瓷的介电贡献
微波介质陶瓷的介电贡献
微波介质陶瓷的介电贡献是指它在微波频段中对电场的响应和传播起到的作用。
介电贡献包括介电常数和介电损耗两个方面。
介电常数是描述介质对电场响应程度的参数，它的大小决定了介质对电场的屏蔽和传输能力。
介电常数可以分为实部和虚部两部分，实部决定了介质对电场的相位延迟和折射率，虚部决定了介质对电场的能量吸收和损耗。
介电损耗是微波介质材料对电磁波能量损失的过程，它与介质内部分子的摩擦导致的能量转化为热能有关。
介电损耗通常由介电常数的虚部表示，其大小决定了材料的吸收性能和功率损耗。
微波介质陶瓷的介电贡献通常由其成分、结构和制备工艺等参数决定。
不同的陶瓷材料具有不同的介电常数和介电损耗，可以通过调整材料成分和制备工艺等方式来改变介电贡献。
微波介质陶瓷广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域，其介电贡献对于电磁波的传输和控制起到重要作用。
介质滤波器之一
浙江嘉康电子有限公司、
福建南安讯通电子公司等，
在技术水平、产品品种和生产规模上与国外相比有较
大差距。
国内微波陶瓷的主要研究单位
上海大学 天津大学 、上海同济大学、华 中科技大
学、 浙江大学 、厦门大学承担了 国家 863 计划中
相应课题，并取得了一定 成果。
水平。此后，微波陶瓷材料才进入实际使用阶段。在卫星通
讯、雷达和蜂窝电话系统中得到广泛使用。
微波介质材料的主要特性
介质材料的三要素：
1、介电常数
r
基站用： 20r 50 手机用：
2、温度系数
f
f (
L
75r 90
2
L )
介电常数的温度系数
介质材料的线膨胀系数
3、损耗或品质因数Q
εr =37~40 40，7 GHz 7 GHz，Q>7 000 000；
εr =33 33～36 36，10 GHz 10 GHz，Q>10 000 000；
εr =29~31 31，l0 GHz GHz，Q>12000 12000；
εr =27~29 29，10 GHz 10 GHz，Q>15000 15000；
εr =80，3GHz， Qf >8,000 GHz；
εr =90，1 GHz， Qf >5 000 GHz ；
新开发 εr =25，33和40 等三种微波介质陶瓷
。
精品课件！
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电子科技大学
εr=24 (BaMg1/3Ta2/303系统），
Qf>120 000 GHz
高介电常数微波介质陶瓷及其低温烧结的研究进展
Ｂ Ｏ Ｌ ２ ：ＴＯ 系微波介质陶瓷具有钨青铜晶体结构 ， ａ — ｎ０广 ｉ 。
Ｂ ，Ｌ Ｊｉ０５ ｃ ｒ ｍｉ ａ５ｎ １ ４ ｅａ ｃ ８ ｓ
Ｌｎ
￡
较 高的 ￡ （ ０ 、 中且可 调节至 ０Ｑ 值 （ ｆ １０ ） ＞７ ） Ｔ 适 、 ｆ Ｑ ≥ ００ 基本达到使用要求 ，适用于飞速发 展的移动通汛领域 （ ≤４ Ｇ ｚ，因此 成 为微 波 介 质 陶瓷 中研 究最 多 的 体 系之 一 。 Ｈ） Ｂ Ｏ Ｌ ２ｒ ｉ２ ａ － ｎ ＴＯ 系统 陶瓷材料 ，是由在 Ｂ Ｏ ＴＯ 系陶瓷中 ０ ａ — ｉ
器件要求， 需要微 波介质 陶瓷能与 高电导率电极 实现低温共 烧。本文综述 了近年来高介 电常数微波介质陶瓷及其低温
烧结研究的最新进展 ， 出进一步提 高陶瓷的介电常数和研究新型低温烧结助剂是今后发展的趋势。 指
关键词 微波介质陶瓷， 高介 电常数 ， 低温烧结
中图分类号 ：Ｑ１ ４７ 文献标识码 ： Ｔ ７ ．５ Ａ
ｍ１ ， 由７ ｏ％） ８， ８线性增 加到 ９ ， ｆ 由 ４００Ｇ ｚ 渐减 ９Ｑ 值 ０ Ｈ 逐 为 ３０ ０ ｚ Ｔ 由 一 ｐｎ￣ ０ ＧＨ ， ｆ ７ｐ ｒ Ｃ渐增加至 １ ｐ ｏ ／ ８ｐｍ／ Ｃ。但 当在
Ｂａ Ｓ ０￣－ Ｔ Ｏ－ ｒ 中掺 入适 量的 Ｏ— ｍ２ ｉ ２ＳＯ
Ｂ Ｏ Ｎ ２ ｉ ２ ａ — ｄ０ 一ＴＯ 为典型代表。
ｃ－ ｒ ｒｍ ｃＬ Ｃ ） ｏ ｆｅ ｃ ａ ｉ，Ｔ Ｃ技术为基础的多层结构设计可有效减 ｉｄｅ
Ｂ Ｏ Ｓ ２ ３Ｔ０ 是 高 ｓ 类微波介质 陶瓷材料的典型 ａ — ｍ ０ － ｉ２ ， 代表之 一。 首先由松下 电器产业中央研究所 试制成功 ， 主要用
低介电常数磷酸盐微波介质陶瓷的研究进展
第42卷第3期2023年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.3March,2023低介电常数磷酸盐微波介质陶瓷的研究进展温红娟,施思嘉,吴修胜,金正权,李栋才,曹菊芳(安徽建筑大学材料与化学工程学院,合肥㊀230601)摘要:随着电子通信行业的迅速发展,微波介质陶瓷近年来成为关注的热点㊂磷酸盐微波介质陶瓷通常具有烧结温度低㊁介电常数较低㊁粉体材料容易制备,以及与银不发生显著反应等特点,故可作为低温共烧陶瓷㊂本文概述了正磷酸盐(PO 4)和焦磷酸盐(P 2O 7)系列陶瓷几种常见的晶体结构和微波介电性能,以及PO 4陶瓷的掺杂和复合㊂研究发现,当A 位元素和P 元素摩尔比大于1时,制备的样品是PO 4与P 2O 7的混合物㊂PO 4陶瓷的掺杂本质是通过A /B 位离子取代起到改进介电性能的作用㊂PO 4陶瓷的复合对性能改进的原理是原样品温度系数若为负值,则可复合TiO 2使温度系数接近0;原样品温度系数若为正,则复合其他温度系数为负的材料中和温度系数㊂最后提出了当下磷酸盐微波介质陶瓷存在的问题和研究展望㊂关键词:微波介质陶瓷;低介电常数;低温共烧;正磷酸盐;焦磷酸盐;PO 4陶瓷掺杂与复合中图分类号:TQ174.1㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)03-1025-12Research Progress of Phosphate Microwave Dielectric Ceramics with Low Dielectric ConstantWEN Hongjuan ,SHI Sijia ,WU Xiusheng ,JIN Zhengquan ,LI Dongcai ,CAO Jufang (School of Materials and Chemical Engeering,Anhui Jianzhu University,Hefei 230601,China)Abstract :As the electronic communication industry rapidly advances,microwave dielectric ceramics become a hot topic in recent years.In general,the phosphate microwave dielectric ceramics have many advantages,such as low sintering temperature,low dielectric constant,easily prepared powder material,and no significant chemical reaction with sliver,so they could be taken as the low-temperature co-fired ceramics.In this paper,the author outlined the performance of microwave dielectric ceramics under the common structure models of the orthophosphate (PO 4)and pyrophosphate (P 2O 7)series,and doping and recombination of PO 4ceramics.The prepared sample is the mixture of PO 4and P 2O 7when the ratio of A-element and P-element molar ratio is greater than 1in research.For the doping of PO 4ceramics,the A /B ions may be selected for replacement to improve the dielectric property.For the recombination of PO 4ceramics,the principle of performance improvement is as follows:if the temperature coefficient of original sample is the negative value,the composite TiO 2makes the temperature coefficient close to 0;if the value is positive,the materials with negative temperature coefficients are compounded to neutralize the temperature coefficient.Finally,the author proposed the problems existed in the phosphate microwave dielectric ceramics and looked forward to the prospect.Key words :microwave dielectric ceramics;low dielectric constant;low-temperature co-firing;orthophosphate;pyrophosphate;doping and recombination of PO 4ceramics 收稿日期:2022-10-28;修订日期:2022-12-17基金项目:安徽省高校协同创新项目(GXXT-2022-010);科技部重点研发项目课题(2019YFE03070001)作者简介:温红娟(2000 ),女,硕士研究生㊂主要从事微波介质陶瓷的研究㊂E-mail:2137255929@通信作者:吴修胜,博士,教授㊂E-mail:wxswjf@ 0㊀引㊀言近年来电子通信向功能丰富化㊁性能增强化发展,对微波电路元器件的核心原料 微波介质陶瓷提出了更高的要求[1]㊂作为一种多功能新型陶瓷材料,微波介质陶瓷关键参数有介电常数εr ㊁温度系数τf 和品质因数Q f [2-3]㊂其中介电常数对信号传输速度有较大影响,品质因数可以影响使用频率的范围,而谐振频率1026㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷的温度系数可以影响器件的温度稳定性㊂微波介质陶瓷作为新兴材料中的一种,以其不同的介电常数㊁品质因数和温度系数在通信和雷达行业广泛运用㊂微波通信技术研究在近些年朝着毫米波方向发展,对材料在毫米波段下的传递速度和频率接收范围以及温度稳定性提出了要求㊂一般来说介电常数越低,传递信号时传播速度就会越高;品质因数越高,材料使用时的频率范围就越广;温度系数越接近0,材料的温度稳定性就越好㊂微波介质陶瓷根据介电常数大小可分为高介电常数微波介质陶瓷(εr >30)㊁中介电常数微波介质陶瓷(15<εr ɤ30)和低介电常数微波介质陶瓷(0<εr ɤ15)㊂其中低介电常数微波介质陶瓷由于具有良好的信号传播速度,成为重点研究对象㊂常见的低介电常数微波介质陶瓷包括氧化铝系㊁AAl 2O 4系(A =Zn㊁Mg)㊁硅酸盐系㊁钼酸盐㊁钒酸盐和磷酸盐等㊂磷酸盐微波介质陶瓷有许多优点,如介电常数低㊁品质因数高和烧结温度低等,因此近年来成为新的研究热点[4-6]㊂本文主要介绍了低介电常数磷酸盐微波介质陶瓷㊂首先将磷酸盐陶瓷分为正磷酸盐陶瓷和焦磷酸盐陶瓷,分别列举出这两种磷酸盐下常见的系列陶瓷并举例展现磷酸盐陶瓷性能的优越性,最后介绍掺杂与复合两种方式对磷酸盐陶瓷性能的改进并举例说明㊂1㊀PO 4系列1.1㊀LiMPO 4系列图1㊀LiMgPO 4陶瓷晶体结构示意图[11]Fig.1㊀Crystal structure diagram of LiMgPO 4ceramics [11]LiMPO 4系陶瓷分两种情况,第一种在结构上LiMPO 4(M =Mg㊁Ni㊁Mn)系陶瓷属于正交晶系[7]㊂图1是LiMgPO 4的晶体结构示意图,[LiO 6]八面体单元与八面体Mg 和四面体P 相互连接㊂LiMPO 4的介电性能不仅与烧结温度有关,也与M 离子种类有关㊂为了研究LiMgPO 4体系,Thomas 等[8]在950ħ下对其进行3h 的烧结,发现介电常数为6.6,品质因数为79100GHz,温度系数为55ppm /ħ(1ppm =10-6)㊂同时Xiao 等[9-10]研究发现LiNiPO 4体系在825ħ烧结条件下理论密度超过95%,介电常数为5.18,品质因数为24076GHz㊂由于其具有介电常数和烧结温度较低的特点,LiMPO 4(M =Mg㊁Ni㊁Mn)系陶瓷还可以与Ag 共烧,因此LiMPO 4系陶瓷在低温共烧陶瓷(low-temperature co-fired ceramics,LTCC)技术中有较大的潜力㊂相较于LiMPO 4的橄榄石结构,第二种结构中每四个O 原子都可与阳离子合成四面体,[ZnO 4]和[LiO 4]四面体可连接构成磷酸锂锌(LiZnPO 4,LZP)结构㊂为了研究LiZnPO 4陶瓷性能随温度的变化情况,Shi 等[12]设置了不同的温度梯度,在不同温度下烧结的LiZnPO 4的性能见表1㊂可知介电常数和品质因数随烧结温度提高而增大,密度也达到顶峰(96.01%),当烧结温度升高至825ħ以上时密度降低,品质因数和介电常数减小,此结果表明性能和烧结致密程度呈正相关㊂表1㊀LiZnPO 4微波介质陶瓷的介电常数㊁品质因数与密度[12]Table 1㊀Dielectric constant ,quality factor and density of LiZnPO 4microwave dielectric ceramics [12]Temperature /ħεr εrc Q f /GHz Density /(g㊃cm -3)Relative density /%725 5.46 5.9925311 3.30792.33750 5.47 5.9528883 3.30893.01775 5.48 5.8939366 3.31193.97800 5.50 5.8643908 3.32194.66825 5.50 5.7747207 3.32896.01850 5.47 5.7745281 3.31195.39㊀㊀注:εr 是介电常数,εrc 是介电损耗,Q f 是品质因数㊂第3期温红娟等:低介电常数磷酸盐微波介质陶瓷的研究进展1027㊀1.2㊀A 3(PO 4)2(A =Mg ㊁Cu )正磷酸盐陶瓷具有稳定的晶体结构,作为优良的功能材料在许多领域被广泛应用㊂Mg 3(PO 4)2具有单斜晶系结构,属于空间群P 121/n 1,多采用固相合成法,在1000ħ下介电常数最低可达到5.42㊂Zhang 等[13]将Mg 3(PO 4)2和30%(质量分数)Ag 的复合材料在950ħ下烧结,通过扫描电镜分别观察Mg 3(PO 4)2和Ag 两组相,发现没有任何杂相,因此得出Mg 3(PO 4)2和Ag 之间没发生显著反应的结论㊂Cu 3(PO 4)2属于三斜晶系,由六面体[CuO 5]和四面体[PO 4]组成,[CuO 5]和[PO 4]通过角共享连接,Cu 2+以两种类型排列,一种形成六面体,另一种位于多面体间隙中㊂Feng 等[14]通过扫描电镜测得Cu 3(PO 4)2陶瓷的密度在900ħ下达到最大,介电常数和品质因数具有明显的密度依赖性,介电常数为7.33,品质因数为86756GHz,温度系数为-30ppm /ħ,P O 化学键在Cu 3(PO 4)2陶瓷的微波介电性能中起到主要作用㊂1.3㊀BPO 4BPO 4微波介质陶瓷因其超低的介电特性受到广泛关注,在已知显微结构会对陶瓷性能产生影响的基础上,Wang 等[15]先后研究了固态烧结(solid state sintering,SSS)和放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)两种烧结方法制备的BPO 4微波介质陶瓷㊂BPO 4是具有方石英结构的超低介电陶瓷,BPO 4具有类似SiO 2衍生物结构,顶点共享四面体网络的开放晶体结构使填充分数降低,分子摩尔体积增加,使介电常数进一步降低㊂研究发现固相烧结会降低BPO 4的性能,由于样品是多孔结构,在高温下晶粒收缩严重并发生升华,温度的升高导致孔隙变大,产生巨大损失,升温到1200ħ时,BPO 4最高相对密度仅为74.6%㊂用放电等离子烧结方法制备的BPO 4陶瓷在烧结期间产生的脉冲电流对等离子体施加压力,产生的影响会改变烧结时间和降低烧结温度,在1000ħ下制备的BPO 4陶瓷的相对密度为92.7%,但B 2O 3会降低BPO 4陶瓷熔点,样品在较高温度下可能发生熔融,使样品烧结失败㊂BPO 4在1200ħ固态烧结下介电常数为3.38,品质因数为18200GHz,温度系数为-42.8ppm /ħ㊂采用放电等离子烧结方式1000ħ烧结,介电常数为4.20,品质因数为4000GHz,温度系数为-20.7ppm /ħ㊂使用改进的谐振腔方法评估介电常数和品质因数在4.6~14.6GHz 的频率依赖性,结果如图2所示,可知介电常数在4.6~14.6GHz 较为稳定㊂主要微波频率下的离子和电子位移极化通常决定了介电常数的大小,而这两者对频率几乎没有依赖㊂低温烧结和快速烧结抑制了晶粒的生长,导致SPS 样品的晶粒尺寸明显小于1200ħ烧结的SSS 样品的晶粒尺寸,如图3所示,进而得出放电等离子烧结方式下品质因数远小于固态烧结方式下品质因数的结论㊂图2㊀固相烧结和放电等离子烧结样品在不同频率下εr 和Q f 变化趋势[15]Fig.2㊀εr and Q f change trend of solid state sintering and spark plasma sintering samples at different frequencies [15]随着频率从4.6GHz 增加到14.6GHz,两种烧结方式下样品的品质因数都增加了近7倍㊂在微波介质陶瓷中,非本征介电损耗是非常正常的,这与微结构缺陷有关㊂外部介电损耗通常与频率不成正比,导致品质因数与频率相关[16-17]㊂因此,外部因素的影响可以通过品质因数的频率依赖程度估计㊂与典型的微波介1028㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷质陶瓷相比,目前BPO 4陶瓷的品质因数表现出更强的频率依赖性,如图2所示㊂结构上若能进一步改善,品质因数的频率依赖性有望得到抑制,BPO 4陶瓷的品质因数将有巨大的改善空间㊂图3㊀在1100㊁1200ħ下固态烧结的BPO 4陶瓷(SSS 样品)和1000ħ下放电等离子烧结的BPO 4陶瓷(SPS 样品)断裂表面的SEM 照片[15]Fig.3㊀SEM images of fractured surfaces of BPO 4ceramics (SSS samples)solid state sintered at 1100,1200ħ,and BPO 4ceramics (SPS sample)spark plasma sintered at 1000ħ[15]材料研究需了解材料的组成㊁合成㊁性能间的相互作用关系,对比两种烧结样品可知固相烧结样品收缩明显㊂在多价金属磷酸盐稳定性的研究过程中发现其在高温下会发生解离,氧化磷转化为蒸汽㊂故烧结过程中样品会升华,导致孔隙变大,孔隙数减少,进而相对密度降低,性能变差,若出现熔融,将导致样品烧结失败㊂采用放电等离子烧结方式制备的陶瓷样品因其烧结特性使制备时间缩短,从而使晶粒生长受到抑制,进而使样品内部晶粒均匀性能优异㊂对这一类磷酸盐陶瓷性能的总结见表2,可得到一种材料通过不同烧结方式会表现出不同性能的结论㊂表2㊀正磷酸盐微波介质陶瓷分类Table 2㊀Classification of orthophosphate microwave dielectric ceramicsRaw material Temperature /ħSintering style εr Q f /GHz τf /(ppm㊃ħ-1)Reference LiMgPO 4825SSS 5.1824076[9]BPO 41200SSS 3.3818200-42.8[15]BPO 41000SPS 4.204000∗(5.9)~4000∗(6.9)-20.7[15]1.4㊀AB 2PO 6(AB 2(PO 4)O 2)对于AB 2PO 6(AB 2(PO 4)O 2)体系,A 为+3价阳离子,B 为+2价阳离子,目前主要研究BiB 2PO 6系列㊂结构上BiZn 2PO 6的三维结构属于正交晶系,Bi 原子以共价键的形式与四个O 原子相连,形成一个[BiO 4]方形金字塔,[PO 4]四面体相互独立㊂Zhang 等[18]发现在725ħ下烧结的BiZn 2PO 6陶瓷具有最好的性能,介电常数为13.269,品质因数为18030GHz,温度系数为-18.9ppm /ħ,超过725ħ时品质因数降低,BiZn 2PO 6的品质因数与晶体内部结构有关,当温度升高时样品体积收缩导致密度增加,晶体内部空隙减小使样品测试的性能增加,当温度超过临界点时晶粒形貌会发生不规则变化,导致陶瓷的性能降低,在合适的烧结温度范围内样品具有良好的致密性和完整的晶粒形貌,如图4所示,性能不会降低,因此许多样品在测量时性能会表现出随着温度升高先提高后降低的趋势㊂由此可知温度所导致的结构变化也会改变陶瓷的性能㊂晶格能与晶体内部键能的大小也对品质因数有重要影响㊂BiZn 2PO 6陶瓷的温度系数对烧结温度不敏感㊂由此可知在低温条件下获得的BiZn 2PO 6陶瓷具有优异的致密性㊂BiZn 2PO 6陶瓷的键类型㊁键长㊁晶格能如表3所示㊂通过表3可知P O 键的离子性和晶格能都要大于其他键,表明P O 键对BiZn 2PO 6化合物的介电常数更为重要㊂第3期温红娟等:低介电常数磷酸盐微波介质陶瓷的研究进展1029㊀图4㊀不同温度烧结的BiZn 2PO 6陶瓷的SEM 照片[18]Fig.4㊀SEM images of BiZn 2PO 6ceramics sintered at different temperatures [18]表3㊀BiZn 2PO 6陶瓷的键类型㊁键长㊁晶格能[18]Table 3㊀Bond type ,bond length and lattice energy of BiZn 2PO 6ceramics [18]AtomBond type Bond length /ÅLattice energy /(kJ㊃mol -1)Average lattice energy /(kJ㊃mol -1)Bi Bi O(1)1 2.340ˑ22028Bi O(1)2 2.301ˑ22055Bi O(3) 3.063ˑ21645Bi O(4) 2.940ˑ117221862.5Zn(1)Zn(1) O(1) 1.970ˑ21537Zn(1) O(2) 2.084ˑ21467Zn(1) O(4) 2.050ˑ114321478.7Zn(2)Zn(2) O(1) 1.970ˑ21537Zn(2) O(2) 2.016ˑ21505Zn(2) O(3) 2.116ˑ114281490.0P P O(2) 1.557ˑ25189P O(3) 1.443ˑ16296P O(4) 1.430ˑ168346106.3Hao 等[19]研究了BiCu 2PO 6陶瓷,BiCu 2PO 6陶瓷的密度为6.481g /cm 3,结构上与BiZn 2PO 6同属于正交晶系,研究发现BiCu 2O 6的致密度随温度提升表现出上涨趋势,并在860ħ时达到最大值98.2%,介电常数为16.04,品质因数为39110GHz,温度系数为-59ppm /ħ㊂由于晶粒劣化,介电常数通常在熔化前略有降低,随温度升高呈先增大后减小的趋势㊂可见AB 2PO 6系列的磷酸盐介电常数偏高㊂通过对BiZn 2PO 6研究发现温度系数受内部因素和外部因素影响,内部因素主要为晶格振动,表现为不同元素间的化学键晶格能,晶格能越高,品质因数越大㊂如表3所示,P O 键的平均晶格能远高于其他类型的化学键,因此P O 键贡献了BiZn 2PO 6和BiCu 2PO 6陶瓷的大部分晶格能㊂可知品质因数会受到化学键影响,对BiCu 2PO 6研究发现进行离子取代试验中离子半径越小越难被取代㊂1030㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷2㊀P2O7系列2.1㊀A2P2O7(ABP2O7)磷酸盐陶瓷除了正磷酸盐(PO4)系列还有焦磷酸盐(P2O7)系列,常见的P2O7系低介电常数微波介质陶瓷有A2P2O7(A=Ca㊁Ba㊁Co)与ABP2O7(A=Ca㊁Sr㊁Ba;B=Zn㊁Cu),当下A2P2O7系列是研究员的主要研究对象㊂Chen等[20]研究发现结构上Co2P2O7中的磷与氧原子呈四面体配位,构成[P2O7]多面体,双四面体[P2O7]包含P O P和O P O自由基,对电介质性能产生影响㊂在1130㊁1150㊁1170ħ制备的陶瓷对应品质因数为29120㊁32820㊁33320GHz,研究发现这是由于不同温度下晶粒尺寸不同导致密度变化,最终引起品质因数的变化㊂通过设置不同温度梯度得出最佳制备温度为1160ħ,此时性能具体为:介电常数为6.76,品质因数为36400GHz,温度系数为-23.9ppm/ħ㊂纯相BaZnP2O7属于P-1三斜晶系结晶,其中Ba和Zn原子分别与9个和5个O原子配位,形成[BaO9]和[ZnO5]多面体㊂P原子显示出两个不同的晶体学位点,即P1和P2㊂P原子与氧四面体配位,形成完整的[PO4]四面体,P O键长度在1.492~1.607㊂[P1O4]和[P2O4]四面体通过共角O原子构成双四面体[P2O7]㊂Chen等[21]在870ħ下固相烧结4h得到介电常数为8.23㊁品质因数为56170GHz㊁温度系数为-28.7ppm/ħ的BaZnP2O7陶瓷㊂为了研究Sr的含量变化对Sr2P2O7陶瓷微波性能的影响,Guo等[22]最初在固相法制备Sr2P2O7时将原料中Sr/P(摩尔比)设置为1,此时粉末呈纯α-Sr2P2O7相㊂随着比例改变,正磷酸盐Sr3(PO4)2相的含量也同Sr/P增加而增加㊂当Sr/P小于0.060时,样品为(1-x)Sr2P2O7-x Sr3(PO4)2㊂当Sr/P为0.060时,在1125ħ烧结温度下获得良好的介电性能:介电常数为7.9,品质因数为17200GHz(在9.9GHz时)和温度系数为2.09ppm/ħ㊂Sr3(PO4)2的理论密度(4.530g/cm3)高于Sr2P2O7(3.675g/cm3),当Sr3(PO4)2相含量增加时,样品体积密度增长,导致性能改变㊂正磷酸盐体系和焦磷酸盐体系的低介电常数主要是由于P O键的共价性质,α-Sr3(PO4)2相的共价键数比焦磷酸盐相α-Sr2P2O7的共价键数少,故具有更大的介电常数,当Sr3(PO4)2含量增加时,陶瓷介电常数增加,温度系数增加㊂故当原料中Sr/P大于1时,可得到Sr2P2O7和Sr3(PO4)2混合相㊂2.2㊀AP2O7为了研究锰掺杂对TiP2O7微观结构和性能的影响㊂Wang等[23-24]对Mn掺入TiP2O7的浓度进行了实验,研究发现掺杂一定量的Mn可以减少(TiO)2P2O7杂质相出现,但会导致Mn0.5Ti2(PO4)3第二相型的出现,其数量随着Mn掺杂浓度的增加而增加㊂掺杂样品中这种含Mn2+的杂质相的出现可以解释为Mn的多价态的存在,Mn对Ti的取代受扩散过程控制,仅发生在Mn0.5Ti2(PO4)3中及其相邻的基体相,它们的组成可以确定为Mn0.5Ti2-x Mn y(PO4)3和Ti1-x Mn x P2O7㊂Mn在基体晶粒内的分布是不均匀的,其浓度随Mn0.5Ti2-x Mn y(PO4)3和TiP2O7基体相与晶界距离的增加而降低,孔隙率随着Mn掺杂量的增加而降低,介电常数和品质因数随着少量Mn掺杂显著提高㊂在1200ħ的空气中烧结2h后介电常数为14,品质因数为87304GHz,温度系数为19ppm/ħ,与空气中烧结相比,在氧气下烧结的Mn0.5Ti2-x Mn y(PO4)3杂质相明显减少,但对介电性能影响不大㊂表4㊀焦磷酸盐微波介质陶瓷的介电性能Table4㊀Dielectric properties of pyrophosphate microwave dielectric ceramics Raw material Temperature/ħεr Q f/GHzτf/(ppm㊃ħ-1)RefereneCo2P2O71160 6.7636400-23.9[20]BaZnP2O78708.2356170-28.7[21]Sr2P2O711257.917200 2.09[22](TiO)2P2O71200148730419[23]常见焦磷酸盐微波介质陶瓷的介电性能见表4,对比正磷酸盐和焦磷酸盐性能不难发现,焦磷酸盐的烧结温度与介电常数相对正磷酸盐要高,但焦磷酸盐在品质因数与温度系数上优于正磷酸盐㊂实际应用中可第3期温红娟等:低介电常数磷酸盐微波介质陶瓷的研究进展1031㊀根据不同需求选择对应的陶瓷㊂3㊀PO 4陶瓷的掺杂目前单相磷酸盐陶瓷的介电常数通常低于15,品质因数大于20000GHz,温度系数范围在-100~+100ppm /ħ㊂A /B 位离子掺杂使品质因数提高,介电常数降低㊂因此近年来研究者对离子置换进行了大量研究,使磷酸盐陶瓷的性能进一步提高㊂Peng 等[25]研究了Ni 2+㊁Co 2+㊁Mn 2+对LiZnPO 4陶瓷进行取代后样品的介电性能㊂在LiZnPO 4中掺入MnO 2探究性能变化,得到LiZnPO 4(LZP)和磷酸锂锰(LiMnPO 4,LMP)陶瓷的结构,如图5所示㊂图5㊀(a)LZP 陶瓷原始模型;(b),(c)Mn 2+取代[ZnO 4]四面体前后示意图;(d)LMP 陶瓷原始模型;(e),(f)Zn 2+取代[MnO 8]八面体前后示意图[25]Fig.5㊀(a)Primitive cell of LZP ceramics;(b),(c)schematic diagram of [ZnO 4]tetrahedron before and after Mn 2+substitution;(d)primitive cell of LMP ceramics;(e),(f)schematic diagram of [MnO 8]octahedron before and after Zn 2+substitution [25]通过掺杂适量Mn 2+,复合陶瓷的介电常数小幅度增加,品质因数增大,温度系数变化较小㊂通过加入Co 2+,陶瓷各项性能略微增加㊂掺杂适量的Ni 2+后复合陶瓷介电常数小幅度上升,品质因数增大,温度系数略微增大㊂同理适量的Mn 2+㊁Co 2+㊁Ni 2+添加可以改善LZP 陶瓷的致密化,降低烧结温度[26-28]㊂在LZP 陶瓷中加入LMP 陶瓷是提高烧结致密化水平和介电性能的有效方法,具体细节见表5㊂表5㊀B 位掺杂LiZnPO 4陶瓷的微波性能Table 5㊀Microwave properties of B-site doped LiZnPO 4ceramicsRaw material Temperature /ħεr Q f /GHz τf /(ppm㊃ħ-1)Reference LiZnPO 4850 5.328496-80.4[25]Li(Zn 0.96Mn 0.04)PO 4825 5.5875031-80.3[26]Li(Zn 0.93Co 0.07)PO 4850 5.4535687-76.8[27]Li(Zn 0.98Ni 0.02)PO 4825 5.5763951-79.5[28]随着Zn 2+逐渐被Mn 2+取代,[ZnO 4]四面体和[MnO 8]八面体的微观结构特征包括配位数㊁电子密度㊁键长和键布居数发生了变化㊂对离子取代前后键长和键布居数进行分析,发现属于[ZnO 4]四面体的阳离子几乎所有的键长都增加了,其所有键布居数都减少了㊂对于[MnO 8]八面体的变化,一半的键长值随着键布居数的减少而增加,另一半则随着键布居数的减少而减小㊂键布居数的减少对应于阳离子和氧离子之间共价性的减弱,而键布居数的增加对应于共价性的增强㊂Shi 等[12]详细研究了LZP 陶瓷的结构与性能之间的关1032㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷系,发现当拉曼位移(振动频率)随着烧结温度的升高而增强时,P O键的能量增加,键长相应减少,键长越短,键能越大㊂而拉曼位移的增加意味着P O键长度减少㊂较长的键长使极化更容易,进而导致介电常数升高㊂故得出随烧结温度提高,P O键长增加,介电常数也增大,而介电常数与拉曼位移呈负相关㊂品质因数与半峰全宽值成反比,但与填充率成正比㊂Dong等[27]在制备LiMgPO4中用Ni2+取代Mg2+,生成Li(Mg1-x Ni x)PO4㊂LiMgPO4具有正交橄榄石型结构,由于掺入较小的Ni2+代替Mg2+,Li(Mg1-x Ni x)PO4陶瓷的晶胞体积逐渐变小㊂在进行烧结试验中发现Ni2+取代Mg2+可降低陶瓷烧结温度㊂由于锂离子高温易挥发,故向LiMgPO4里加过量锂元素补充,950ħ下陶瓷的介电性能为:介电常数为6.6,品质因数为79100GHz,温度系数为-55ppm/ħ㊂掺杂Ni2+后, LiMg0.95Ni0.05PO4陶瓷在875ħ下烧结2h,可达到97.1%的最大相对密度,此时显示εr=6.91,Q f=98600GHz,τf=-55.3ppm/ħ㊂在制备LiMgPO4中用Co2+取代Mg2+,LiMg0.95Co0.05PO4在875ħ下烧结的样品密度最高,品质因数的变化趋势与相对密度的变化趋势相似㊂在875ħ下烧结后,LiMg0.95Co0.05PO4的最大品质因数为111200GHz,介电常数为6.97,温度系数为53.8ppm/ħ,根据Li(Mg1-x Co x)PO4陶瓷的致密化和介电性能的结果,得出Co2+取代Mg2+可以降低烧结温度并提高品质因数的结论[26-32]㊂在875ħ下LiMg0.95Co0.05PO4的最大品质因数为111200GHz,并且复合陶瓷通常不会和银制的电极材料发生反应㊂故LiMgPO4是LTCC候选材料㊂Zhang等[11]采用固相反应法合成了具有正交橄榄石结构的新型低烧成微波介质陶瓷LiMg1-x A x PO4(A=Mn㊁Ca,0.02<x<0.08)㊂理论上,Mn2+半径小于Mg2+,单位体积随Mn2+含量的增加而减小㊂但理论分析与实验结果有出入,原因是Mn2+的电负性大于Mg2+㊂Mn2+与O2-的电负性低于Mg2+和O2-的电负性,导致Mn O的键长大于Mg O,因此掺入适量的Mn2+会使性能发生变化㊂随着Mn2+增加,Li(Mg1-x Mn x)PO4的品质因数快速上升,在875ħ后下降㊂Li(Mg1-x Ca x)PO4陶瓷的品质因数表现出与Li(Mg1-x Mn x)PO4陶瓷相同的变化趋势㊂由于样品致密化的恶化,品质因数的巅峰是在800ħ,随温度升高品质因数降低㊂LiMgPO4陶瓷中Ca2+的溶解极限为x=0.06㊂由于第二相的存在,当温度超过875ħ,x>0.06时Li(Mg1-x Ca x)PO4的品质因数下降㊂陶瓷的温度系数随离子取代度的增加变化范围不是特别明显,这意味着Mn2+和Ca2+对LiMgPO4陶瓷温度系数的影响不大,综合情况见表6㊂表6㊀B位掺杂LiMgPO4陶瓷的微波性能Table6㊀Microwave properties of B-doped LiMgPO4ceramicsRaw material Temperature/ħεr Q f/GHzτf/(ppm㊃ħ-1)ReferenceLi(Mg0.95Ni0.05)PO4875 6.9198600-55.3[27]Li(Mg0.95Co0.05)PO4875 6.97111200-53.8[28]Li(Mg0.92Mn0.08)PO4875 6.3471412-57.4[11]Li(Mg0.92Ca0.08)PO4875 6.8171223-51.4[11]由于离子取代键长和键布居数变化,烧结陶瓷性能改变㊂并且离子间的键能量增加,键长相应减小,振动频率与键能成正比,键长较长则易极化,使介电常数增大,故振动频率与介电常数成反比㊂4㊀PO4陶瓷的复合由于部分磷酸盐陶瓷温度系数过低,研究员通过添加材料改变原料配比替换样品内部A/B位离子来改变性能,也可通过复合其他具有特殊性能的陶瓷弥补自身缺陷来提高某些性能㊂为了研究了LiZnPO4陶瓷应用于LTCC领域的可行性,Xia等[33-35]在实验中发现850ħ下LiZnPO4能达到最大品质因数,此时品质因数为28496GHz,温度系数为-80.4ppm/ħ,由于LiZnPO4温度系数较低且TiO2有较高的温度系数,因此Xia等加入TiO2平衡数值㊂在研究不同比例下TiO2掺杂对陶瓷性能影响的过程中发现掺杂0.17(体积分数)TiO2的LiZnPO4在950ħ下烧结4h后的介电常数为10.0,品质因数为10025GHz,温度系数为1.6ppm/ħ㊂TiO2和LiZnPO4晶体结构的巨大差异和良好稳定性抑制了LiZnPO4和TiO2之间的化学反应,掺杂后性能的变化如表7所示㊂添加TiO2的LiZnPO4陶瓷与银电极有良好的兼容性,因此LiZnPO4-TiO2复合陶瓷在LTCC领域应用前景较为广泛㊂第3期温红娟等:低介电常数磷酸盐微波介质陶瓷的研究进展1033㊀表7㊀不同TiO 2体积分数的LiZnPO 4-TiO 2材料在850ħ下燃烧4h 后的微波性能[33]Table 7㊀Microwave properties of LiZnPO 4-TiO 2materials with different TiO 2volume fractionafter burning at 850ħfor 4h [33]Volume fraction of TiO 2εr Q f /GHz τf /(ppm㊃ħ-1)0 5.528496-80.20.148.313844-24.00.158.811769-21.50.1710.010025 1.60.1910.7100527.80.2110.91073824.3㊀㊀Guo 等[36]研究了(1-x )SrZn 2(PO 4)2-x TiO 2复合微波介质陶瓷,发现在整个x 值范围内,只能获得SrZn 2(PO 4)2和TiO 2两相,并且在合适的烧结温度下,所有成分都可以获得较高的相对密度㊂在相组成比的变化过程中,介电常数涨幅较小,温度系数变化较宽㊂在含有混合金属离子的正磷酸盐中,AZn 2(PO 4)2(A =Sr㊁Ba)在结构上可归类为硅酸盐长石族,其中A 位元素对使用相同制备路线获得的这些相的晶体结构有明显的影响㊂在SrZn 2(PO 4)2的晶体结构中,四氧配位锌和磷四面体构成了一个三维网络,形成了一个由锶原子在中心的包围网络伪层结构㊂其中Sr 2+和Zn 2+虽然具有较高活性但被氧多面体包围,导致烧结过程反应较慢,这体现了SrZn 2(PO 4)2晶体结构中良好的相位可调性,可改善介电性能㊂掺杂后复合磷酸盐性能随温度和掺杂浓度的变化如图6所示㊂图6㊀不同烧结温度下样品εr ㊁Q f 与τf 随掺杂浓度的变化[36]Fig.6㊀Changes of εr ,Q f and τf of samples with doping concentration at different sintering temperatures [36]在磷酸盐复合陶瓷中,由于采用了较高的TiO 2含量,晶粒的过度生长会在一定程度上受到抑制㊂当采用合适的烧结温度时,通过将两种成分组合在一起,可以获得较高的相对密度㊂在较低的烧结温度下,TiO 2含量较低(x <0.3)的陶瓷中介电常数差异不明显,含TiO 2多的陶瓷高温下介电常数随着TiO 2含量的增加而不断增加[37-39],不足是品质因数会有一定的降低,优点是改进了温度系数,使性能更加稳定㊂因此选择合适的第二项进行掺杂是未来的一个研究方向㊂Wang 等[40]对Ba 3(PO 4)2-BaWO 4复合陶瓷进行了研究,发现Ba 3(PO 4)2和BaWO 4在1100ħ下烧结2h 后共存,介电常数和温度系数随BaWO 4含量增加而降低㊂随x 增加,(1-x )Ba 3(PO 4)2-x BaWO 4复合陶瓷的性能变化如图7所示㊂综合图7(a)~(d)可知在x =0.2,温度为1100ħ时性能最好,其中介电常数随着BaWO 4含量的增加缓慢降低㊂Ba 3(PO 4)2的温度系数为正数,BaWO 4的温度系数为负数,随着BaWO 4含量增加,样品温度系数逐渐接近0㊂此处介绍了常见的两种复合类型㊂第一种是TiO 2复合调节温度系数,常见于一些温度系数负值过高的微波介质陶瓷材料的应用,但同时也会对材料本身品质因数和介电常数造成影响,因此可根据实践需要,调整合适的配比㊂未来研究方向为:在稳定温度系数的基础上,尝试将介电常数和品质因数的性能影响降至最。
低温共烧,微波介质
低温共烧,微波介质低温共烧是一种先进的陶瓷工艺，可以用来制备各种微波介质材料。
本文将详细介绍低温共烧的原理、工艺流程以及其在微波器件制备中的应用，希望对读者有所指导意义。
低温共烧是一种采用低温烧结工艺的陶瓷制备技术，其原理是将不同材料的粉体混合均匀后进行加热处理。
相比传统的高温固相烧结工艺，低温共烧具有许多优点。
首先，由于低温烧结，可以保持微波介质材料的化学成分和晶体结构的稳定性，避免了高温烧结过程中可能产生的相变和结构退化。
其次，低温共烧工艺所需的烧结温度较低，能够减少能源消耗，降低制备成本。
此外，低温共烧还可以实现多种材料的共烧，提高了材料的复合性能。
低温共烧的工艺流程相对简单。
首先，需要选取合适的原材料，并对其进行粉体制备处理，包括粉碎、筛分等。
然后，将不同材料的粉体按一定比例混合均匀，可以通过干法或湿法混合方法。
接下来，将混合后的粉体进行成型，常用的方法有压制成型和注射成型。
成型后的样品需要进行预烧处理，以去除粘结剂和其他不稳定物质。
最后，将预烧后的样品进行低温共烧，通常采用氮气气氛下进行烧结。
烧结后的样品需要进行后续的加工和测试，以获得所需的微波介质性能。
低温共烧在微波器件制备中有着广泛的应用。
例如，在射频滤波器中，低温共烧技术可以用来制备高品质因数、高频率的介质陶瓷滤波器。
与传统的工艺相比，采用低温共烧制备的滤波器具有更低的损耗和更好的频率选择性能。
此外，低温共烧还可以用来制备介质陶瓷天线，具有良好的射频性能和大功率耐受能力。
此外，低温共烧还可以制备其他微波器件，如耦合器、功分器等，为微波通信技术的发展做出了重要贡献。
综上所述，低温共烧是一种生动、全面、有指导意义的微波介质制备技术。
通过混合、成型、预烧和共烧等工艺步骤，可以制备出具有稳定化学成分和晶体结构的微波介质材料。
低温共烧在微波器件制备中有着广泛的应用，可以提高器件的性能和可靠性。
希望本文能为读者提供一定的指导，促进低温共烧技术的发展与应用。
微波介质基板材料及选用
微波介质基板材料及选用微波介质基板是在微波电路设计和制造中广泛使用的一种重要材料。
它具有低介电损耗、高绝缘强度、良好的化学稳定性、低热膨胀系数和高温性能等特点。
基于不同的应用需求，选择适当的基板材料对于确保微波电路的性能至关重要。
本文将介绍几种常见的微波介质基板材料及其选用。
1.常见的介质基板材料：(1)FR4板：FR4是一种常见的玻纤增强热固性塑料，主要由玻璃纤维和环氧树脂组成。
它具有低成本、良好的机械性能和绝缘性能，因此被广泛应用于通信、计算机和消费电子等领域的微波电路设计。
(2)RO4003C板：RO4003C是一种高频率低介电损耗复合介质基板。
它由玻璃纤维增强PTFE（聚四氟乙烯）和陶瓷复合材料构成。
RO4003C具有较低的介电损耗、优秀的尺寸稳定性和化学稳定性，因此适用于高性能的射频和微波电路设计。
(3)RO4350B板：RO4350B是一种高频率低介电损耗复合介质基板。
它由玻璃纤维增强PTFE和陶瓷复合材料构成。
RO4350B具有较低的介电损耗、低热膨胀系数和优秀的维护性能，因此适用于高频率和高功率应用的微波电路设计。
(4)PTFE板：PTFE（聚四氟乙烯）是一种常见的高频率低介电损耗材料。
它具有优异的高温稳定性、化学稳定性和绝缘性能。
PTFE板常用于扩展频率范围和提高微波电路性能的特殊应用，如天线、传输线和滤波器等。
2.基于应用需求的选用：(1)频率要求：不同的基板材料具有不同的频率特性。
对于低频应用，如2.4GHzWLAN，FR4板就能满足需求。
而对于高频应用，如6GHzWLAN，RO4003C和RO4350B等低介电损耗基板将更适合。
(2)功率要求：高功率应用需要具备较好的热导性和绝缘性能，以确保电路的稳定性和性能。
RO4003C和RO4350B等陶瓷复合材料基板具有较低的热膨胀系数和较高的绝缘强度，适用于高功率应用。
(3)尺寸要求：一些特定领域的微波电路设计可能对尺寸稳定性和机械性能有较高的要求。
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意义及应用背景、国内外研究现状分析及论文的主要研究内容等。 Equation Chapter (Next) Section 1
2 微波介质陶瓷材料的发展
微波介质陶瓷材料的发展背景
近年来，移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统(GPS)、蓝牙技术以及无线局域 网(WLA)等现代通信业得到了飞速发展。这种飞速发展极大的带动了现代通信相关元器 件的需求。对微波谐振器、滤波器、振荡器、移相器、微波电容器以及微波基板等元 器件这种庞大的市场需求，再加上微波介质陶瓷制作的介质谐振器等微波元器件具有 体积小、质量轻、性能稳定、价格便宜等优点，因此微波介质陶瓷也发展得相当迅速， 其市场也迅速扩大，并且在现代通信工具的微型化、片式化、集成化起着举足轻重的 作用。正是这种强大的市场驱动，微波介质陶瓷得到了广泛而深入的研究。世界各国 都在加大投入进行广泛的研究，陆续开发出新材料体系。这些体系要得到工业应用， 必须在性能上要满足高介电常数、低介电损耗以及良好的频率稳定性，当然还要求低 的成本。
微波介质陶瓷材料的发展背景 ...........................................................错误!未定义书签。 国内外微波介质陶瓷材料的发展 .......................................................错误!未定义书签。 3 微波介质陶瓷材料的应用....................................................................错误!未定义书签。 微波介质陶瓷的性能要求 ...................................................................错误!未定义书签。 微波介质陶瓷材料的分类 ...................................................................错误!未定义书签。
关 键 词：微波介质陶瓷材料；应用；发展
ABSTRACT
Microwave dielectric ceramics as a new electronic material, in modern communications were used to resonator, filter, dielectric substrate, dielectric antenna, medium wave guide loop, widely used in many fields of microwave technology. It can be used in mobile communications, satellite communications and military radar, etc. With the rapid development of science and technology, the communication rapid increase of information, and the requirements for wireless communication, using satellite communications and satellite live TV etc microwave communication system, the communication technology has become an inevitable trend. This makes the material in civil microwave and demand increase gradually, such as mobile phone, cellular and cordless auto mobile communication and satellite TV broadcast on new application paper present situation of the application of microwave dielectric ceramic dielectric ceramics, microwave problems existing in the application of microwave ceramics, pointing out the direction of future research.
KEY WORDS: Microwave dielectric ceramic materials; Application; Development
目录
1 绪论.......................................................................................................错误!未定义书签。 2 微波介质陶瓷材料的发展....................................................................错误!未定义书签。
介质谐振器 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 介质滤波器 .......................................................................................错误!未定义书签。 其它方面的应用 ...............................................................................错误!未定义书签。 4 微波介质陶瓷材料存在的问题和展望................................................错误!未定义书签。 致 谢.......................................................................................................错误!未定义书签。 参考文献 ...................................................................................................错误!未定义书签。
近年来,由于微波通信事业的迅速发展,卫星通信、汽车电话和便携式电话等移动通 信领域对小型化、高性能化的微波电路和微波器件的需求量日益增加,更高频带的利用 也在计划之中。这就要求作为情报通信社会的支撑,要不断开发具有更加优越性能的新 型材料。由于微波信号的频率极高,波长极短,信息容量大,有强方向性、穿透性和吸收能 力,并且微波设备可实现通信的保密性,十分有利于通信技术领域和军事领域中的应用。 实现微波设备的小型化、高稳定性和廉价的途径是微波电路的集成化。传统的金属谐 振腔和金属波导体积和重量过大,限制了微波集成电路的发展。而微波介质陶瓷能很好 地解决这些问题。使得微波介质陶瓷在近二十多年来得到迅速的发展,成为制造微波介 质滤波器和谐振器的关键材料。微波介质陶瓷具有高介电常数、低微波损耗、温度系 数小等优良性能,适于制作各种微波器件,如电子对抗、导航、通讯、雷达、家用卫星直 播电视接受机和移动电话等设备中的微波振荡器、滤波器和鉴频器,能满足微波电路小 型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。随着移动通信的发展,微波介质陶瓷的研究 越来越受到人们的重视[1]。随着微波技术的迅速发展,信息化社会对微波介质陶瓷材料 的要求也会越来越高,其应用前景也会越来越好。但目前的体系还不能完全满足令人满 意,还存在一些问题。对微波介质材料性能的微观机理有待于进一步研究,希望能从理论 上了解影响陶瓷材料微波损耗的机理,找出晶体的微观结构和材料微波介电性能之间的 关系。另外现有的制备工艺也有待于进一步改进。目前多采用常规的高温固相反应方 法制备,不仅烧结时间长,很难获得致密的结构,而且组分易挥发,使产物偏离预期的组成 并形成多相结构,从而导致材料性能的劣化和不稳定性。近年来软化学法作为一种先进 的材料制备方法,已经在功能陶瓷的制备方面开辟了一种新的工艺路线。我们相信随着 研究的进一步深入和新型烧结技术的运用,最终可实现微波介质陶瓷材料组成、结构与 性能的可调控性,微波介电材料将显示出广阔的应用前景绪论部分主要论述论文的选题
本科毕业设计
论文题目 学生姓名 学号 所属院部 专业 班级 指导教师
微波介质陶瓷材料及其应用 杨威 0
电子与信息工程学院 电子信息科学与技术
2005 级二班 熊钢
2009 年 5 月
摘要
微波介质陶瓷作为一种新型电子材料，在现代通信中被用作谐振器、滤波器、介 质基片、介质天线、介质导波回路等，广泛应用于微波技术的许多领域。可用于移动 通讯、卫星通讯和军用雷达等方面。随着科学技术日新月异的发展，通信信息量 的迅猛增加，以及人们对无线通信的要求，使用卫星通讯和卫星直播电视等微波 通信系统己成为当前通信技术发展的必然趋势。这就使得微波材料在民用方而的 需求逐渐增多，如手机、汽车电话、蜂窝无绳电话等移动通信和卫星直播电视等 新的应用装置。本课题综述国内外微波介质陶瓷的应用现状，阐明微波介质陶瓷材料 应用中存在的问题，指明微波陶瓷材料今后的研究方向。
Equation Chapter 1 Section 1
1 绪论
陶瓷的发展史是人类文明史的一个缩影，现代人在研究古代历史的时候，各个时 期留存下来的陶瓷便是最有价值的线索。当陶瓷这一古老的工艺发展成陶瓷科学的时 候，她便成了对我们生活能产生重大影响的一门学科。近半个多世纪以来，随着陶瓷 材料的研究和开发，在与人类生活息息相关的各个领域，如电子、通讯、能源、交通、 宇宙探索和国家安全等，都能找到陶瓷的身影。可以说现代人的生活离不开陶瓷，陶 瓷的进步给人类带来的是生活方式的日新月异。微波介质陶瓷是近二十多年来发展起 来的一种新型的功能陶瓷材料。它是指应用于微波频率（主要是 300MHz ～30GHz 频 段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，是制造微波介质滤波器 和谐振器的关键材料。它具有高介电常数、低介电损耗、温度系数小等优良性能，适 于制造多种微波元器件，能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。