王月mg 2 sio 4 微波介质陶瓷晶格结构mg 2 sio 4 微波介质陶瓷介电 .ppt

Mg2SiO4微波介质陶瓷的介电性能及其制备方法 演讲人：王月 Mg2SiO4微波介质陶瓷晶格结构 Mg2SiO4微波介质陶瓷介电性能 Mg2SiO4微波介质陶瓷制备工艺 4 1 2 3 目录 Mg2SiO4微波介质陶瓷存在的问题 1.Mg2SiO4微波介质陶瓷晶格结构 Mg2SiO4(Forsterite)是地幔中的主要成分，常被称为镁橄榄石。Mg2SiO4是由Si-O四面体和Mg-O八面体通过共顶、共棱架构而成，且Si-O四面体不互相连接的孤立的岛状硅酸盐化合物，如图所示为其晶体结构。 （1）[SiO4]四面体：硅氧四面体是孤立的，Si4+位于四面体中心，O2-位于四面体角顶；Si—O平均距离0.160 nm，电负性差D = 1.7，说明Si—O键并非纯离子键结合，而是具有相当高的共价键成分，离子键和共价键大约各占一半。 这是Mg2SiO4具有低介电常数的本质特性！ （001）立体俯视图 （2）硅氧四面体之间是由镁离子按镁氧八面体的方式相连的。每一个O2-离子和三个Mg2+离子以及一个Si4+离子相连，电价是平衡的。 2.Mg2SiO4微波介质陶瓷介电性能 Mg2SiO4具有优良的微波介电性能： εr=6~7 Qf=240,000GHz τf=-60×10-6/℃。 由上面可知，Mg2SiO4具有低的介电常数，高的Qf值，相比A12O3陶瓷具有低的烧结温度，是比较适合作为低介电常数介质谐振器的一种微波介质材料，同时也常作为电子电路中的基版材料。 2.1 Mg2SiO4微波介质陶瓷的掺杂改性 为了将材料的谐振温度系数调节至近零，通常使用下面两种方法： 1）添加具有正的谐振温度系数的改性剂 2）形成固溶相 研究人员为了将Mg2SiO4陶瓷谐振频率温度系数τf调节至近零，通常选择TiO2作为改性剂，因为其具有高τf（450ppm/℃)值。 当向Mg2SiO4陶瓷中添加24wt%的TiO2时，材料的烧结温度从1350℃大幅降低至1200℃，且谐振频率温度系数也调节至近零。 由图已知，当烧结温度1400℃， Qf和τf急剧下降，这是因为生成MgTi2O5 and MgSiO3 Sub title 结论 TiO2不仅可以将谐振温度系数调节近零，还可以降低烧结温度。 考虑到在高温下TiO2容易与Mg2SiO4反应而削弱其对材料谐振频率温度系数的调节功能。H.Ohsato等人试图将TiO2微小颗粒与Mg2SiO4多孔陶瓷物理复合以达到调节温度系数的目的。 具体工艺过程是：先将Mg2SiO4与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合制备成多孔陶瓷，然后利用液相沉淀法(Liquid Phase Deposition，LPD)将TiO2颗粒填充至微孔中。当TiO2沉淀量为16.9wt%时，材料的谐振频率温度系数被调节至-5ppm/℃，但是Qf下降急剧。 为了将Mg2SiO4陶瓷谐振频率温度系数调节近零，研究人员也会采取形成固溶相的方法来实现。为了改善Mg2SiO4陶瓷的微波介电性能,选择用Zn2+来置换Mg2+，由于Zn离子半径(rZn2+=0.74nm)与Mg离子半径 (rMg2+=0.72nm)接近,满足能够满足固溶体的必要条件之一： 但是，这两者具有不同的晶体结构，因此不能无限固溶。浙江大学的陈湘明等人发现Zn置换Mg有利于降低Mg2SiO4的烧结温度和改善Mg2SiO4的微结构 ，并对不同Zn/Mg摩尔比的(Mg1-xZnx)2SiO4进行研究，其介电性能如下表所示 0 0.05 0.1 0.2 0.4 f0 (GHz) εr Qf (GHz) τf (ppm/℃) 7.5 0.6 0.8 0.9 0.95 1.0 x εr Qf τf A 0.1 10.0 129,858 -49.6ppm/℃ B 0.55 9.03 525,000 0.6 ppm/℃ C 0.07 6.87 105,000 -71.8 ppm/℃ D 0.025 6.71 180,000 -71.1 ppm/℃ A:(1-x)CaWO4-XMg2SiO4 B:(1-x)Ba3(VO4)2-xMg2SiO4 C:(1−x)Mg2SiO4–xCa2SiO4 D:(1−x)Mg2SiO4–xMn2SiO4 2.2 抑制MgSiO3杂相的生成 在Mg2SiO4陶瓷过程中，存在一个关键问题尚未解决，即MgSiO3第二相的消除问题。浙江大学的陈湘明研究小组通过改变Mg/Si摩尔比有效地抑制MgSiO3相的出现，当Mg/Si=2.025和2.05时，材料形成了单一的橄榄石相。 3.Mg2SiO4微波介质陶瓷制备工艺