冷烧结法制备镍铜锌铁氧体陶瓷及其电磁性能研究

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信息技术的快速发展对电子器件的研究提出了更加苛刻的挑战,尤其是5G技术时代到来,要求电子器件更加微型化、高频化、集成化和多功能化。磁介电功能复合材料因同时兼具较好的介电性能和磁性能引起了极大的关注。但是,传统的高温固相烧结方法通常需要在很高的温度下进行烧结,不仅容易产生杂相,削弱材料的性能,而且会因高温烧结而消耗大量能源。此外,过高的烧结温度使得该类材料很难同银电极共烧。本课题以镍锌铜(NiCuZn)基磁介电复相陶瓷为研究对象,用冷烧结的方法,从功能粉体相的设计和选择、微观结构的设计和调控、实验工艺参数的优化三方面入手,低温下制备出磁导率和介电常数都较高且相近的磁介电复相陶瓷材料。在此基础上,结合三维电磁仿真软件HFSS对材料应用于微带天线介质基板进行了仿真分析。主要研究内容如下:(1)Li2MoO4(LMO)、Na2WO4(NWO)和Ni)(0.2)Cu0.2Zn0.6Fe1.94O4(NCZO)粉体的制备:使用传统高温固相合成法,确定了三个前驱体相的成相条件,即:LMO的成相条件是540℃/4 h,NWO的成相条件是500℃/4 h,NCZO的成相条件是900℃/2 h。经过XRD分析表明,所有功能粉体都是单相,没有第二相杂质,为复相陶瓷的冷烧结提供了所需的前驱体材料。(2)(1-x)LMO-x NCZO磁介电复相陶瓷的制备和性能研究:采用去离子水为烧结添加助剂,使用冷烧结法制备出一系列的(1-x)LMO-x NCZO磁介电复相陶瓷,烧结温度是150℃,烧结时间是30 min,烧结时的压强是200 MPa。传统的NiCuZn基复相陶瓷制备温度高(1150℃~1250℃),本论文使用了冷烧结的方法,在150℃超低温度和外加压力条件下即可制备出相对密度较高(>95%),并且具有低损耗、较高介电常数和磁导率的性能优良的复相陶瓷。制备得到的0.46LMO-0.54NCZO复合材料,介电常数是8.2(100 MHz),介电损耗为0.0076(100 MHz);磁导率是6.4(100 MHz),磁损耗为0.220(100 MHz)。不同组分的复合材料理论公式计算值与实验结果具有较好的一致性,有望应用于小型化天线的介质基板中。(3)(1-x)NWO-x NCZO磁介电复相陶瓷的制备和性能研究:应用冷烧结方法,在温度低至150℃的条件下制备出一系列的NWO/NCZO复合材料。结果表明,随着铁氧体含量的增加,虽然密度不断下降,烧结特性下降,但是仍然能够表现出很好的电磁性能。其中制备获得的0.4NWO-0.6NCZO复合材料具有高的介电常数和高的磁导率,介电常数是7.7(100 MHz),磁导率是7.6(100 MHz),介电损耗为0.027(100 MHz),磁损耗为0.25(100 MHz)。并且,磁导率和介电常数两者几乎相等,可以有效解决天线与自由空间的阻抗匹配问题。(4)三维电磁仿真软件HFSS对材料应用于微带天线介质基板进行仿真分析:使用不同组分NWO/NCZO复合材料作为微带天线介质基板材料,利用HFSS进行仿真分析。结果表明,当微带天线的介质基板使用磁介电材料时,可以有效减少介电基板的尺寸,磁性相的引入,可以在对回波损耗影响不大的基础上扩大带宽。
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