低介电常数熔融石英陶瓷材料的研究

论文摘要

熔融石英陶瓷作为一种具有优良化学性及机械性能的材料,从上世纪50年代开始就被作为制造导弹天线罩的主要材料。熔融石英陶瓷具有极低的介电常数,材料的这一特点引起了研究人员的注意,材料具有较低的介电常数可以制造出适用于较高频的微波器件。近年来,随着移动通信技术的高速发展,微波通信事业也得到了较大的提高。为了适应目前通信设备往更高的集成度、更广泛的应用方面的发展,微波器件作为微波电路的核心,其长久以来的发展趋势是逐步实现元件的微型化、高频化。作为微波器件的载体,微波介质材料的好坏直接影响器件的使用频率及性能高低。研究人员针对应用于不同频段的微波介质材料进行了大量的研究,制备出能够满足一定频率范围使用且损耗低的基板材料对微波器件的发展有着很重要的意义。本文以低介电常数的熔融石英陶瓷为研究对象,首先对石英的晶相转变进行研究,以此为理论基础,通过固相合成法制备出熔融石英陶瓷的制备工艺,并对得到的材料进行多方面的分析,特别是对材料进行介电性能及微波性能的研究;随后通过掺入不同的杂质对材料进行改性,并就掺杂剂对材料的影响进行深入的研究,使得熔融石英陶瓷的性能得到进一步的优化。对于未掺杂的熔融石英材料,利用固相合成法采取快速升温,短时保温的烧结工艺进行烧结。得到的样品的性能与其内部产生的晶相种类有较大的联系,晶相间的相互转变受烧结温度的影响较大。通过在多个温度下进行烧结实验,综合性能比较,当样品在1150℃保温1h烧结时,其体积密度ρ=2.165g/cm3,较低烧结温度下致密度达到98.2%,相对介电常数εr=3.40,介电损耗tgδ=6.86×10-4,Qf=12000。在确定了熔融石英陶瓷基本的烧结工艺的基础上,对材料进行掺杂研究。首先进行硼酸掺杂的系统研究,硼酸在烧结过程中能够对材料中的晶相进行抑制。在确定硼酸的掺杂量后,分别进行了复合掺杂MgO、Al2O3及MnO的一系列研究,研究发现,MgO的掺杂提高了材料的烧结致密度,Al2O3及MnO的掺杂改善了材料的介电性能,分别增大了介电常数降低了介电损耗。与此同时还对样品进行了CaO- Al2O3的掺杂研究,这两种物质的掺杂促进了材料中的晶粒生长,提高了样品的致密度。综合所有物质的掺杂,分析各个掺杂系列的测试结果,当复合掺杂3wt%H3BO3+0.5wt%MnO的样品在1220℃下烧结时性能最佳,其体积密度ρ=2.25g/cm3,相对介电常数εr=3.96,介电损耗tgδ=10.5×10-4,Qf=11000。?

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 微波介质陶瓷材料
• 1.1.1 微波介质材料几个主要性能参数
• 1.2 微波介质陶瓷的几个主要材料体系
• 1.2.1 低介电常数微波介质陶瓷
• 1.2.2 中介电常数微波介质陶瓷
• 1.2.3 高介电常数微波介质陶瓷
• 1.3 介质陶瓷材料的制备
• 1.3.1 固相合成法
• 1.3.2 液相反应法
• 1.3.3 微波烧结
• 1.3.4 放电等离子烧结法
• 1.3.5 热等静压烧结
• 1.4 熔融石英陶瓷材料结构与性能
• 1.4.1 熔融石英陶瓷材料的结构
• 1.4.2 熔融石英陶瓷材料的性能
• 1.5 熔融石英陶瓷材料的制备及应用
• 1.6 熔融石英陶瓷材料的研究现状及动态
• 1.7 课题的提出
• 第二章 实验设计及参数测试
• 2.1 样品制备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 主要实验设备
• 2.2 实验方案及制备工艺流程
• 2.2.1 实验方案
• 2.2.2 制备工艺流程
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 样品密度测试
• 2.3.2 电学性能的测试
• 2.3.3 微波性能的测试
• 2.4 显微结构分析
• 2.5 晶相结构分析
• 第三章 纯熔融石英陶瓷材料的研究
• 3.1 引言
• 3.2 石英晶体的晶相转变理论
• 3.3 烧结制度及工艺的制定
• 3.4 不同烧结温度对熔融石英陶瓷晶相影响的分析
• 3.5 不同烧结温度对熔融石英陶瓷微观形貌的影响
• 3.6 不同温度下的样品烧结特性的研究
• 3.7 不同烧结温度对样品介电性能的影响
• 3.8 不同烧结温度下的微波性能
• 3.9 本章小结
• 第四章 熔融石英陶瓷材料的掺杂改性研究（一）
• 4.1 掺杂硼酸对Si02 的影响
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 掺杂量不同的硼酸的烧结特性研究
• 4.1.3 掺杂量不同的硼酸对样品介电性能的影响
• 4.2 掺杂3wt%硼酸在不同烧结温度的研究
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 掺杂3wt%硼酸样品的晶相结构分析
• 4.2.3 掺杂3wt%硼酸样品微观形貌的观察
• 4.2.4 掺杂3wt%硼酸在不同烧结温度下的烧结特性
• 4.2.5 掺杂3wt%硼酸时不同的烧结温度对样品介电性能的影响
• 2O₃ 的影响'>4.3 掺杂CaO-Al₂O₃的影响
• 4.3.1 引言
• 2O₃ 样品的晶相结构分析'>4.3.2 掺杂CaO-Al₂O₃样品的晶相结构分析
• 2O₃ 样品的微观形貌观察'>4.3.3 掺杂CaO-Al₂O₃样品的微观形貌观察
• 2O₃ 在不同烧结温度下的烧结特性'>4.3.4 掺杂CaO-Al₂O₃在不同烧结温度下的烧结特性
• 2O₃ 在不同烧结温度下的介电性能'>4.3.5 掺杂CaO-Al₂O₃在不同烧结温度下的介电性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 熔融石英陶瓷材料的掺杂改性研究（二）
• 3BO₃-MgO 的影响'>5.1 掺杂H₃BO₃-MgO 的影响
• 5.1.1 引言
• 3BO₃-MgO 样品的晶相分析'>5.1.2 掺杂H₃BO₃-MgO 样品的晶相分析
• 3BO₃-MgO 在不同烧结温度下的微观形貌'>5.1.3 掺杂H₃BO₃-MgO 在不同烧结温度下的微观形貌
• 3BO₃-MgO 在不同烧结温度下的介电性能的变化'>5.1.4 掺杂H₃BO₃-MgO 在不同烧结温度下的介电性能的变化
• 3BO₃-Al₂O₃ 的影响'>5.2 掺杂H₃BO₃-Al₂O₃的影响
• 5.2.1 引言
• 3BO₃-Al₂O₃ 样品的晶相结构分析'>5.2.2 掺杂H₃BO₃-Al₂O₃样品的晶相结构分析
• 3BO₃-Al₂O₃ 样品的微观形貌观察'>5.2.3 掺杂H₃BO₃-Al₂O₃样品的微观形貌观察
• 3BO₃-Al₂O₃ 在不同烧结温度下的烧结特性'>5.2.4 掺杂H₃BO₃-Al₂O₃在不同烧结温度下的烧结特性
• 3BO₃-Al₂O₃ 在不同烧结温度下的介电性能变化'>5.2.5 掺杂H₃BO₃-Al₂O₃在不同烧结温度下的介电性能变化
• 3BO₃-MnO 的影响'>5.3 掺杂H₃BO₃-MnO 的影响
• 5.3.1 引言
• 3BO₃-MnO 样品的晶相结构分析'>5.3.2 掺杂H₃BO₃-MnO 样品的晶相结构分析
• 3BO₃-MnO 样品的微观形貌观察'>5.3.3 掺杂H₃BO₃-MnO 样品的微观形貌观察
• 3BO₃-MnO 在不同烧结温度下的烧结特性'>5.3.4 掺杂H₃BO₃-MnO 在不同烧结温度下的烧结特性
• 3BO₃-MnO 在不同烧结温度下的介电性能'>5.3.5 掺杂H₃BO₃-MnO 在不同烧结温度下的介电性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果