Ba5Nb4O15陶瓷的低温烧结工艺及应用研究

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利用低温共烧陶瓷技术制备电子元器件可实现器件的小型化和集成化,开发出能够低温共烧的陶瓷材料是功能陶瓷领域的研究热点。Ba5Nb4O15微波介质陶瓷由于其良好的介电性能而被人们广泛研究。本论文通过研究预烧温度、球磨工艺、添加剂、原料配比对Ba5Nb4O15陶瓷性能的影响,探索固相法合成陶瓷的低温烧结工艺;同时应用LTCC技术制备EBG天线基板,并通过与银电极共烧和仿真模拟探索Ba5Nb4O15陶瓷在LTCC领域的应用前景。对比原料粉末在7001100℃预烧下生成的Ba5Nb4O15陶瓷的性能,结果表明:原料粉末在7001100℃范围预烧在均可生成Ba5Nb4O15相,随着预烧温度的升高,粉末粒径增大,烧成陶瓷的Q×f值增大;而过高的预烧温度会使得陶瓷结块不利于粉碎球磨。预烧温度为1000℃时,Ba5Nb4O15陶瓷材料较好的介电性能。通过研究不同球磨条件下原料粒径大小,发现不同形状及尺寸的磨球混合可以显著提高球磨效率;随着球磨时间的增长,原料粒径减小球磨效率降低;经济有效的滚动球磨时间为48小时左右。研究了CuO、CaCO3和B2O3添加剂对Ba5Nb4O15陶瓷低温烧结的影响,实验结果表明,在0.2wt%1.1wt%范围,添加剂B2O3的最优单独添加量为0.8wt%,添加剂CuO的最优单独添加量为1.1wt%;进一步研究了二元添加剂B2O3-CuO体系对陶瓷性能的影响,结果表明添加剂5B2O3-2CuO和B2O3-CuO可使陶瓷在900℃烧结并得到优异的品质因数性能。通过改变原料配比制备了复相陶瓷(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6随,随着x值逐渐减小,复相陶瓷的相对介电常数εr逐渐减小,品质因数Q×f的值逐渐增大,谐振频率温度系数τf逐渐增大,密度减小。当x=0.1时,微波介质陶瓷可实现在875℃下烧成并具有良好的介电性能:εr为41.23,Q×f为21500GHz,τf为6.2×10-6℃-1。(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6微波介质陶瓷与Ag共烧后相容性良好,有望做为一种性能优异的低温共烧陶瓷原料为生产微波电子元器件所使用。利用LTCC技术制备了EBG结构天线基板,并测试其禁带参数。使用HFSS软件对EBG机构天线基板进行仿真模拟,分别设置基板材料为Ba5Nb4O15陶瓷和LTCC浆料,结果表明:Ba5Nb4O15陶瓷天线基板的工作频率小于LTCC浆料材料天线基板的工作频率;工作频率固定时,微波介质陶瓷有望减小LTCC器件尺寸。
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