题目：低温烧结Mg4Nb2O9微波介质陶瓷

摘要 铌酸镁 体系微波介质陶瓷具有高品质因数和相对较低的介电常数等优良性能，有望成为取代氧化铝陶瓷的新一代高 值基板材料。然而由于该陶瓷具有较高烧结温度(1400 ℃)和较大的负谐振频率温度系数( -72 ppm/℃)，从而限制其进一步商业化应用。目前，微波介质陶瓷正朝着高频、低温烧结方向发展。因此，有必要对该体系陶瓷进行改性和开展低温烧结方面的研究。
本文通过添加烧结助剂、元素取代来降低其烧结温度；采用两相复合来调节材料的微波介电性能。系统研究了烧结助剂及成分变化对 陶瓷烧结性能、相组成、显微组织和微波介电性能之间的关系。获得了以下几个方面的结果：
(1) 陶瓷低温烧结的研究
采用 和 复合掺杂，可以显著降低 陶瓷的烧结温度，在925 ℃可以实现致密烧结。差热分析显示在烧结过程中，有低熔点 液相生成。一定量 添加，有助于 单相的形成；随着 含量的增加，X射线检测到了第二相 。样品的介电常数( ) 随 含量的增加稍有增加，而其品质因数 确有所降低，这与部分 取代 所造成的晶格缺陷及第二相的出现有关。1.5% 与1.5% 复合掺杂，925 ℃、5小时烧结， 陶瓷的介电常数 为13.7， 为78 000 GHz，并且可以与银( )电极共烧。 陶瓷优良的微波介电性能及与银电极良好的化学兼容性，使其有望成为新一代低温共烧基板材料。
(2)元素置换对 陶瓷微波介电性能的研究
(a) 离子取代 离子、 固溶体化合物，可以在较低的温度下(950 ℃)实现致密化烧结。差热分析未见明显的吸热反应，这表明其反应以固态反应为主，该化合物本身具有较低的烧结温度。X射线分析可知：在组分x值 0.3的范围内形成了 连续固溶体，其晶胞参数随组分x的增加呈线形变化关系，这遵循一般Vegard，s 定律, 这是由于 和 具有不同的离子半径；x大于0.3时，有 杂相生成。950 ℃、5小时烧结， 陶瓷的介电常数 为12.7， 为14 000 GHz。
(b) 和 同时取代 ，X射线分析可知：对于 化合物，在x值 0.2的范围内形成了 连续固溶体；随着x值进一步增加，有第二相 生成。在烧结过程中，由于 的挥发，扫描电镜(SEM)可观察到烧结陶瓷晶粒内部有气孔存在。最佳温度下烧结，其密度仅能达到理论密度的94%左右，具有较差的微波介电性能。
(c) 和 同时取代 ，对 进行改性研究。X射线分析表明：在所有组成范围内(0.05 x 0.3)，形成了 连续固溶体。 、 取代Nb显著改善了 陶瓷的谐振频率温度系数；样品的介电常数和品质因数随 含量增大而降低。在1300 ℃ 烧结， 陶瓷具有良好的微波介电性能：介电常数为9.71，品质因数为35 000 GHz，谐振频率温度系数为-22.6 ppm/℃。
(3) 复相陶瓷的研究
5mol% 掺杂、在低温下(1150 ℃)首次合成了 (x 0.5)复相陶瓷。DTA-TGA分析表明：在烧结过程中，生成了 和 低熔点液相。综合XRD、SEM、EDS和Raman spectra实验结果可知：在x值小于0.5的范围内，除主相 和少量的 相外，还有少量 和 第二相生成；x 0.5时为 复相陶瓷。随着x值的增加，样品的介电常数从13增加到32，谐振频率温度系数从-44 ppm/℃增加到131 ppm/℃；与此相反，样品的品质因从80 000 GHz降低到19 500 GHz。当x=0.5时，获得了一种新型、谐振频率温度系数趋于零的的微波介质陶瓷： ，其微波介电性能为： 20， = 48 000 GHz， -12 ppm℃。