题目：高Q、低ε微波介质陶瓷的结构与性能──对有序刚玉结构Mg_4Nb_2O_9材料的研究

　　微波通信的高频化对微波材料和电子封装陶瓷提出了很高的要求：高的Q·f值和不同的介电常数ε。刚玉结构的α-Al_2O_3陶瓷具有非常高的Q·f值（Q·f＝300000GHz）和相对较低的介电常数ε（～10），被广泛的用作基板材料和电子封装陶瓷。然而，氧化铝陶瓷的烧结温度和谐振频率温度系数τ_f限制了它作为低温烧结基板材料的进一步发展。Mg_4Nb_2O_9具有与α-Al_2O_3相似的晶体结构，Q·f值可以达到350000GHz，介电常数ε与α-Al_2O_3陶瓷接近，而烧结温度却降低了200～400℃。因此，Mg_4Nb_2O_9可望成为取代氧化铝陶瓷的新一代高Q值基板陶瓷。 　　本文系统的研究了Mg_4Nb_2O_9的合成及该系列陶瓷的结构与性能。主要实验结果如下： 　　（1）以MgO和Nb_2O_5为初始原料5h合成Mg_4Nb_2O_9时，在600℃～1500℃的温度范围内得不到纯净的Mg_4Nb_2O_9物相；在600℃～700℃的范围内，由MgO、Nb_2O_5和MgNb_2O_6三物相组成；700℃～950℃，MgO、Nb_2O_5、MgNb_2O_6和Mg_4Nb_2O_9四相共存；当T_c≥950℃时，Nb_2O_5消失；Mg_5Nb_4O_(15)在1250℃出现，MgNb_2O_6在1300℃时消失；Mg_4Nb_2O_9的最佳合成温度是1400℃，该温度下5小时合成的化合物由Mg_4Nb_2O_9、MgO和Mg_5Nb_O_(15)，三物相组成，Mg_4Nb_2O_9的相含量R为95.71%。 　　（2）烧结后的陶瓷由Mg_4Nb_2O_9和Mg_5Nb_4O_(15)两物相组成。物相合成条件对陶瓷的物相含量和Mg_4Nb_2O_9的晶胞参数产生的影响不明显；合成粉末中的MgO和MgNb_2O_6在烧结时会向Mg_4Nb_2O_9和Mg_5Nb_4O_(15)转化，这样的反应会阻碍晶粒的过分长大，晶粒随着粉末合成温度的升高而增大，而Q·f值则降低；烧结温度对Mg_4Nb_2O_9陶瓷性能影响显著，而保温时间对Mg_4Nb_2O_9陶瓷性能影响较小。900℃、2小时合成物相，1350℃、10小时烧结的该陶瓷具有最佳的微波性能：ε＝12.00，Q·f＝194820GHz（中心频率为8.400GHz）。 　　（3）用锑元素取代锯元素时，Mg_4（Nb_(2-x)Sb_x）O_9在x≤1.6的范围内形成了连续固溶体，具有与Mg_4Nb_2O_9相同的物相结构，晶胞参数a、c轴长和晶胞体积均随锑元素添加量的增多而降低，当x＝2.0时，Mg_4Sb_2O_9晶胞的轴长和体积发生了突变，相结构发生了变化，在1.6＜x＜2的范围内，Mg_4Nb_2O_9与Mg_(11)Sb_4O_(21)两相共存。少量锑元素对妮元素的替换（0.4≤x≤0.8），降低了Mg_4Nb_2O_9微波介质陶瓷的烧结温度，而不影响其微波介电性能；但随着烧结温度的升高和烧结时间的延长，陶瓷二次晶粒长大，陶瓷密度ρ和微波介电性能都降低；Mg_4Sb_2O_9陶瓷具有片状晶粒堆砌的显微组织，存在许多空洞，这使得高Sb含量的Mg_4（Nb_(2-x)Sb_x）O_9陶瓷很难实现致密烧结。在1300℃、5小时的烧结条件下，得到了性能优异的Mg_4（Nb_(1.6)Sb_(O.4)）O_9和Mg_4（Nb_(1.2)Sb_(0.8)）O_9两组分陶瓷，微波介电性能 分别为ε＝12.26，Q·f＝168450GHz（中心频率f_0＝8.714GHz）和ε＝11.61，Q·f＝169820GHz（f_0＝9.275GHz）。 　　（4）向Mg_4Nb_2O_9陶瓷中添加0≤x≤5.0wt.%的TiO_2时，没有纯TiO_2，相存在，陶瓷由Mg_4Nb_2O_9和Mg_5Nb_4O_(15)两相组成；添加的Tiˉ(4+)离子按1:2取代Mg_5Nb_4O_(15)晶体中的Mgˉ(2+)离子和Nbˉ(5+)离子；添加TiO_2可以促进Mg_4Nb_2O_9陶瓷的低温致密烧结，提高微波介电性能；但由于未形成含TiO_2的复相陶瓷，未起到调节该陶瓷的谐振频率温度系数的作用，τ_f值一直为较大的负值；1300℃、5h烧结添加2.5wt.%TiO_2的该陶瓷具有很好的性能：ε_r＝13.61，Q·f＝196620GHz，τ_f＝-50.4ppm/℃。 　　（5）通过添加V_2O_5将Mg_4Nb_2O_9陶瓷的烧结温度降低到了1000～1050℃，实现该陶瓷的低温致密烧结；然而，添加V_2O_5会使得Mg_4Nb_2O_9分解，生成MP_3（VO_4）_2、MgNb_2O_6和Mg_5Nb_O_(15)三物相，而且随着V_2O_5添加量的增大和烧结温度的升高Mg_5Nb_4O_(15)相含量增加，该陶瓷性能降低。添加1%V_2O_5将Mg_4Nb_2O_9陶瓷的烧结温度降低到1050℃，5少时烧结时该陶瓷的微波性能为：ε_r＝12.72，Q·f＝151040GHz；添加4%V_2O_5将陶瓷的烧结温度降低到1OOO℃，且具有较好的微波介电性能：ε_r＝12.89，Q·f＝137780GHz。