中低温烧结Mg2Al4Si5O18陶瓷材料性能研究

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信息化时代对由微波介质陶瓷制成的电子器件提出了更高的要求:小型化、集成化、高速率、低延时等。LTCC技术为器件的高度集成化和小型化提供了有效途径,为实现陶瓷与Ag电极的共烧,研究能实现低温烧结且具备良好性能的陶瓷材料具有重要意义。本文主要研究内容围绕降低Mg2Al4Si5O18陶瓷的烧结温度以实现低温烧结展开。通过掺杂氧化物和使用低熔点玻璃进行复合两种途径来降低Mg2Al4Si5O18陶瓷的烧结温度。并且对两种玻璃/陶瓷体系进行了烧结动力学研究,探究了实现低温烧结的内在机理。首先研究了掺杂Yb2O3对Mg2Al4Si5O18陶瓷的降烧效果以及性能影响。结果表明,掺杂Yb2O3可以形成低温Yb2(Si2O7)相,促进Mg2Al4Si5O18陶瓷的致密化,有效降低Mg2Al4Si5O18陶瓷的烧结温度。当添加7wt%Yb2O3,烧结温度从1430℃降至1330℃,其介电性能:介电常数为5.5,介电损耗为3.24×10-4,谐振频率温度系数为-24 ppm/℃。然后研究了两种低介电、低熔点的玻璃对Mg2Al4Si5O18陶瓷的降烧效果及性能影响。实验表明,添加一定量的MBS玻璃可以使Mg2Al4Si5O18陶瓷的烧结温度降至950℃。当添加47.5wt%的MBS玻璃时可获得良好性能:介电常数为5.1,介电损耗为2.3×10-3,谐振频率温度系数为-26 ppm/℃,热膨胀系数为6.6 ppm/℃,抗弯强度为102 MPa;另一方面,添加一定量的CBS玻璃可以将Mg2Al4Si5O18陶瓷的烧结温度降至900℃,当CBS玻璃添加量为47.5wt%时,可获得最佳性能:介电常数为6.4,介电损耗为4.33×10-3,谐振频率温度系数为-31 ppm/℃,热膨胀系数为8.1 ppm/℃,抗弯强度为155 MPa。最后采用了基于Wang和Jenqdaw的固定升温速率模型和基于Arrhenius方程的固定升温速率模型两种烧结活化能计算模型分别对两种玻璃陶瓷体系的烧结激活能进行理论计算。结果表明,两种烧结激活能计算模型计算出的烧结激活能较为接近,但第二种模型拟合出的直线一致性比第一种模型拟合出的直线一致性更好。随着两种玻璃含量的增加,两种模型计算出的两种玻璃陶瓷体系的烧结激活能都在不断降低,这从烧结的内部机理方面解释了MBS玻璃以及CBS玻璃对整个体系的降烧作用。同时,MBS玻璃和CBS玻璃含量同样为47.5wt%时,使用基于Arrhenius方程的固定升温速率模型计算出的烧结激活能分别为765 kJ/mol和436 kJ/mol,解释了CBS玻璃的降烧效果更优的原因。
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