MgO-Al2O3-SiO2-TiO2-La2O3系微晶玻璃的相变及微波介电性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qinjiajign1323770
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具有高品质因数(Q×f)、近零温度系数(τf)和中低介电常数(εr)的微波介质材料,在微波通讯、雷达制导等领域有重要应用,相关材料研制、开发工作已经成为新材料研究的热点。通过玻璃可控析晶得到的微晶玻璃,具有微波介电特性连续可调、工艺简单、显微结构致密等显著优点,是一种重要的微波介质材料。在MgO-Al2O3-SiO2堇青石基微晶玻璃基础上研发的MgO-Al2O3-SiO2-TiO2-CeO2(MASTC)系统,相比于堇青石微晶玻璃(εr~5-5.5)具有更高的介电常数(εr>9),且其它物理化学特性优良,已在军用相控阵雷达等领域取得了成功的应用。但是此材料体系的玻璃在可见光波段透过率低,不利于大批量生产过程中高效率检测材料内部的气泡、条纹、结石等宏观缺陷;在微晶化热处理后材料的介电常数εr>11时,其谐振频率温度系数偏高(τf>40ppm/℃);此外,其品质因数报道的最高数值为17300GHz,仍有较大提升空间。  针对上述问题,本工作以La2O3置换MASTC中的CeO2,提出了一个新的微晶玻璃体系:MgO-Al2O3-SiO2-TiO2-La2O3(MASTL)。MASTL微晶玻璃的综合微波介电性能比MASTC系统有明显提高,而且原始玻璃在可见光波段透明。本论文首次报告了La2O3、TiO2和MgO三个主要成分对MASTL系统微晶玻璃相变过程和微波介电性能的影响机理和变化规律;通过组成与结构调控,获得了一系列具有中低介电常数(εr=9-14)、近零谐振频率温度系数、综合性能优异的微晶玻璃微波介质材料。本工作对中低介电常数微晶玻璃材料基础研究、新材料开发及促进材料的更多工程应用具有重要意义。  本论文开展的主要研究工作和得到的主要结论如下:  1)研究了La2O3取代CeO2对MASTC玻璃颜色、析晶过程,及微晶玻璃的显微结构和微波介电性能的影响。随着La2O3逐渐取代CeO2,原始玻璃在可见光波段的透过率提高;微晶玻璃中硅钛铈矿的化学组成发生了变化,其他主要晶相及析出过程无明显变化。当La2O3完全取代CeO2后,得到的MASTL原始玻璃对可见光波段透明,而且微晶玻璃的微波介电性能优异,表明MASTL是一种具有重要研究价值的新材料。  2)研究了La2O3含量变化对MASTL系统玻璃形成、析晶过程,及微晶玻璃的显微结构和微波介电性能的影响。随着玻璃中La2O3含量的增加,玻璃的形成能力提高;初晶相从镁铝钛酸盐(MAT)变为硅钛铈矿,这与La2O3对玻璃结构的调整有关;硅钛铈矿的析出受到促进,α-堇青石的析出减少,金红石的析出也略有减少;显微结构中晶相分布和尺寸的均匀性得到很大的改善;材料的介电常数从10略微增大至11,品质因数从12500显著增加至22900GHz,温度系数向负值方向偏移。另外,在MASTL微晶玻璃的显微结构中,观察到了一种网络结构,它的出现与α-堇青石的析出有紧密联系。  3)研究了TiO2含量变化对MASTL系统玻璃形成、析晶过程,及微晶玻璃的显微结构和微波介电性能的影响。随着TiO2含量的增多,原始玻璃的颜色加深,且析晶倾向增大;初晶相硅钛铈矿和主晶相金红石的析晶温度显著降低,而尖晶石的析晶温度上升;金红石的析出量明显增加;经1200℃晶化处理2h后,微晶玻璃的介电常数从10.8增加到14.9,谐振频率温度系数从-26正向偏移至85ppm/℃左右,品质因数从22900降低至18000GHz。另外,还选取了此系列中一个典型组分,研究了玻璃的分相、成核与析晶过程,以及热处理过程中显微结构和微波介电性能的变化规律。  4)研究了MgO含量变化对MASTL系统玻璃的析晶过程及微晶玻璃的显微结构和微波介电性能的影响。随着MgO含量的增多,微晶玻璃中尖晶石和MAT的含量提高,金红石的析出受到抑制。经1200℃晶化处理2h后,品质因数显著提高,最高值为28600GHz,与此同时介电常数从10.8降低至10以下,谐振频率温度系数负向偏移至-90ppm/℃左右。  5)研究了双组分TiO2&La2O3和MgO&La2O3对MASTL系统玻璃的析晶过程、微晶玻璃的显微结构和微波介电性能的影响。研究表明,通过控制材料中双组份TiO2&La2O3或MgO&La2O3的含量,并选取适当的热处理条件,可以有效调控材料中主晶相硅钛铈矿、α-堇青石、金红石、尖晶石和MAT的比例,从而实现材料介电常数、温度系数在较大范围内的连续调控;获得了一系列综合性能优异的新型中低介电常数微晶玻璃材料,其εr=9-14,Q×f=16800-28600GHz,τf=0±10ppm/℃。
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