金姣 倪愛斌

摘 要：采用一步固相燒結(jié)法制備了（1–x）Mg4Nb2O9+xCaTiO3顆粒復(fù)合微波介質(zhì)陶瓷。研究了陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和微波介電性能。研究了燒結(jié)工藝對陶瓷的相組成、晶體結(jié)構(gòu)和微波介電性能的影響。研究表明，在預(yù)燒溫度均為1080℃時，成燒溫度從1235℃升至1435℃，收縮率不斷升高，在1385oC后收縮率變化不大。當(dāng)x=0.4，預(yù)燒溫度1080℃，成燒溫度1385℃保溫24h得到的復(fù)合陶瓷的性能達(dá)到最佳。

隨著移動通信在現(xiàn)代生活中的普及，人們對微波介電的材料越來越關(guān)注。當(dāng)前，對具有高Q值，合適的介電常數(shù)和接近于零的諧振頻率溫度系數(shù)的微波介電陶瓷的需求越來越大。[1]Mg4Nb2O9陶瓷具有優(yōu)良的微波介電性能，如高品質(zhì)因素（Qf=190 000 GHz），但由于其介電常數(shù)εr偏低（εr=12.5）以及諧振頻率溫度系數(shù)τf太大（τf=-70*10-6/℃）。[2]所以一般與CaTiO3復(fù)合制備Mg4Nb2O9/CaTiO3復(fù)合介質(zhì)陶瓷來使用。[3]但由于Mg4Nb2O9和CaTiO3之間易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不利于形成復(fù)合相，一般采用兩步法分別合成法。[4]本文為了節(jié)省能耗和生產(chǎn)時間，更利于工廠實際應(yīng)用，采用一步法制備Mg4Nb2O9/CaTiO3復(fù)合介質(zhì)陶瓷，研究了燒結(jié)溫度和比例對陶瓷材料性能的影響。

1 實驗

采用一步固相法制備（1–x）Mg4Nb2O9+xCaTiO3陶瓷，x取0.2-0.8。以Nb2O5（純度99.5%），MgO（純度99.9%），CaCO3（純度99.9%）和 TiO2（純度99.9%）。按照化學(xué)配比x= 0.2-0.8，稱取原料，放入尼龍球磨罐中，以無水乙醇作為介質(zhì)，在行星磨中進行一次球磨（24 h*200r/min）。樣品經(jīng)烘干、過篩后，在1080℃預(yù)燒 24 h，獲得復(fù)合粉體。用同樣的方法進行二次球磨（24 h*15r/min），將制得的粉體，球磨、干燥、過篩后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚乙烯醇（PVA）造粒，壓制成φ20 mm ×10 mm 的圓片，1235℃至1435℃成燒24 h，獲得（1–x）Mg4Nb2O9+xCaTiO3粉體。采用 Archimedes 法測定樣品的體積密度。選用X 射線衍射（XRD）儀對樣品進行物相分析，測量范圍 2θ為10°～50°。用掃描電鏡（SEM）觀測樣品的顯微結(jié)構(gòu)。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量樣品微波介電性能。

2 結(jié)果與討論

通過所得的XRD圖表面，在1080的預(yù)燒溫度，和1235℃至1435℃成燒24 h的條件下，均能得到純相復(fù)合陶瓷。

圖1為x取0.4時候，0.6Mg4Nb2O9+0.4CaTiO3復(fù)合陶瓷粉體在不同的成燒溫度下的收縮率和致密度曲線。由圖1可知，在1235℃下成燒后的收縮率最低，說明該溫度下成燒溫度過低導(dǎo)致收縮率過低。同時發(fā)現(xiàn)隨著成燒溫度的升高，收縮率和密度都是先升高后略微下降。成燒溫度達(dá)到1385℃時，試樣的收縮率和密度達(dá)到最大值，收縮率23%，密度4.1g/cm3。

圖2為1385℃成燒溫度下，x分別取0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8時，所得的SEM圖，由圖可知X小于0.5時，隨著x值得變大，氣孔越少，粉體致密度越好。X大于0.5后，隨著x值得變大，粉體顆粒出現(xiàn)異常長大，氣孔變多。由圖可知X=0.4和0.5時，顆粒氣孔少，陶瓷組織非常致密。

3 結(jié)論

在預(yù)燒溫度均為1080℃時，成燒溫度從1235℃升至1435℃，收縮率先不斷升高，在1385oC后收縮率變化不大。當(dāng)x=0.4，預(yù)燒溫度1080℃，成燒溫度1385 ℃保溫24h得到的復(fù)合陶瓷的性能達(dá)到最佳，介電常數(shù)εr=28.38，品質(zhì)因素Qf=13232 GHz，諧振頻率溫度系數(shù)τf=-24.8*10-6/℃。

參考文獻

[1]趙梅瑜，王依琳.高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的研究進展[J].電子元件與材料，2005，24（12）：50–54.

[2]KUMADA N，TAKI K，KINOMURA N.Single crystal structure re？finement of a magnesium [J].Mater Res Bull，2000，35：1 017–1 021.

[3]KELL R C，GREENHAM A C，OLDS G C E.High-permittivity temperature-stable ceramic εr dielectrics with low microwave loss [J].J Am Ceram Soc，1973，56（7）：352–354

[4]姚國光，田秀勞，劉鵬 .Mg4Nb2O9/CaTiO3復(fù)合介質(zhì)陶瓷的結(jié)構(gòu)和介電性能[J].硅酸鹽學(xué)報，2008，36卷11期.

【項目來源】：浙江省高等學(xué)校訪問工程師校企合作項目：移動4g基站用諧振器的高Q陶瓷粉體的研究