● 摘要
二氧化硅属于低介电常数类微波介质材料，具有极低的介电常数(εr = 3.8)，在介质基板材料和高频微波元器件等领域有着很好的发展前景。但是烧结温度高，谐振频率温度系数较大以及微裂纹等特点严重制约着SiO2陶瓷的商业化应用。
本文以溶胶-凝胶法制备出的二氧化硅纳米球为基体，首先研究了前驱粉体颗粒及烧结工艺对SiO2陶瓷烧结性能和微波介电性能的影响，以确定最佳制备工艺；其次分别添加金红石及锐钛矿TiO2，制备出SiO2-TiO2复合陶瓷，调整其谐振频率温度系数近零；在此基础上，采用B2O3作为烧结助剂，分别添加到上述复合陶瓷中，将其烧结温度均降低到950℃以下来满足LTCC技术要求。具体研究内容和结果如下所示：
（1）采用溶胶-凝胶法在50℃恒温水浴中制备出二氧化硅纳米球，分别以此SiO2纳米球和购买的高纯SiO2粉末作为原料制备SiO2陶瓷，研究其相组成、微观结构以及微波介电性能。结果显示，纳米球制备的SiO2陶瓷在1300℃烧结保温3h得到最优的微波介电性能εr = 3.85，Q×f = 63,000GHz，τƒ = -18.86；而购买的SiO2粉末制备的陶瓷在1300℃烧结保温3h介电性能为：εr = 2.9，Q×f = 29,500GHz，τƒ = -16.87。
以SiO2纳米球为原料，改变降温速率，制备SiO2陶瓷，比较其与随炉降温时制备的SiO2陶瓷相组成、微观结构以及微波介电性能之间的差异。控制降温速率后，陶瓷表面的裂纹明显减少，说明控制降温后以合适的速率使SiO2陶瓷渡过相变温区，减少了陶瓷内部由于相变产生的体积收缩而爆裂。随炉降温下陶瓷的Q×f值在1150℃烧结时只有26,000 GHz，但是控制降温速率后，陶瓷在1150℃保温3h后得到较好的微波介电性能：εr = 3.82，Q×f = 53,000GHz，τƒ = -13.6ppm/℃。
（2）以SiO2纳米球和金红石TiO2为原料，采用传统固相法制备不同摩尔比(1-x)SiO2-xTiO2 (RST, x=0, 0.08, 0.12, 0.16, 0.20)复合陶瓷，研究其相组成、微观结构以及微波介电性能。添加金红石TiO2后，所有陶瓷均由低温方石英和金红石两相组成，TiO2和SiO2之间没有发生反应。RST复合陶瓷的密度、介电常数、以及τƒ值均随着TiO2含量的增加而增大，而Q×f值基本随着TiO2含量的增加而减小。其中1275℃保温3h后的0.84SiO2-0.16TiO2陶瓷综合介电性能最好：εr = 5.91, Q×f = 39,680 GHz，τƒ = -4.53 ppm/℃。
以同样配比添加锐钛矿TiO2后，AST复合陶瓷的相组成非常复杂，主相为鳞石英相，伴有少量(SiO2)x相，同时也检测到了钛的几种氧化物Ti5O9、Ti9O17以及TiO2，但是未发现Ti和Si生成的化合物，说明二者没有发生化学反应。在1100℃~1250℃烧结后，复合陶瓷的密度、介电常数、以及τƒ值基本上均随着TiO2含量的增加而增大，主要是TiO2的密度、介电常数均大于SiO2的缘故。与RST复合陶瓷相比，AST复合陶瓷中0.88SiO2-0.12TiO2陶瓷获得了更好的微波介电性能：εr = 5.41, Q×f = 52,000 GHz，τƒ = +2.1 ppm/℃
（3）选取B2O3为单一烧结助剂，对0.84SiO2-0.16TiO2 (RST)复合陶瓷进行降温，研究其相组成、微观结构以及微波介电性能。添加B2O3后，陶瓷的烧结温度降低到了1000℃以下，介电常数与Q×f值基本上随着烧结温度的增加先增大后减小，添加10wt% B2O3在950℃烧结5h后陶瓷获得了良好的微波介电性能：εr = 4.4, Q×f = 20,000 GHz，τƒ = +1.45 ppm/℃，满足低温共烧陶瓷技术的要求。
以0.88SiO2-0.12TiO2 (AST)粉体为基体，分别加入质量分数为5wt%~12.5wt%的B2O3作为烧结助剂，研究了其相组成、微观结构及微波介电性能。XRD图谱表明陶瓷主相由方石英相和金红石相两相组成，并且伴随少量的鳞石英相。介电常数与Q×f值随着烧结温度的增加先增大后减小，τƒ没有太大的变化，仍然在零附近。添加10wt% B2O3的AST陶瓷在950℃烧结5h后获得了更好的微波介电性能：εr = 4.68, Q×f = 28,000 GHz，τƒ = -0.24 ppm/℃。