【摘 要】
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微波介质陶瓷作为现代通信技术的关键材料,在国际上引起了广泛的关注。随着无线通信的使用频段向毫米波扩展,开发高性能的低介电常数微波介质陶瓷成为研究热点。本文对低介电常数硅酸盐CaMgSi2O6陶瓷进行改性研究,探讨离子取代对微波介电性能的调控机理。此外,为了满足低介体系在低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）领域的应用需求,开发了具有本征低烧结温度
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微波介质陶瓷作为现代通信技术的关键材料,在国际上引起了广泛的关注。随着无线通信的使用频段向毫米波扩展,开发高性能的低介电常数微波介质陶瓷成为研究热点。本文对低介电常数硅酸盐CaMgSi2O6陶瓷进行改性研究,探讨离子取代对微波介电性能的调控机理。此外,为了满足低介体系在低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）领域的应用需求,开发了具有本征低烧结温度的B aZnP2O7和SrZnV207低介微波介质陶瓷。基于离子取代可行性分析,分别采用A位取代和B位取代的方法制备了Ca1-xSrxMgSi2O6和CaMg1-xMnxSi2O6陶瓷,得到改善后的微波介电性能:εr=8.17,Q×f=85858 GHz,τf=-41.25 ppm/℃（Ca0.96Sr0.04MgSi2O6）和εr=8.01,Q×f=83469 GHz,τf=-45.27 ppm/℃（CaMg0.98Mn0.02Si2O6）,系统研究了离子取代调控介电性能的内在机理。采用拉曼光谱研究了拉曼位移与拉曼散射峰半高宽对Ca1-xSrxMgSi2O6陶瓷的介电常数与介电损耗的影响。利用经典谐振子模型拟合CaMg0.98Mn0.02Si2O6陶瓷的红外反射光谱,计算出介电损耗的下限,对CaMgSi2O6基陶瓷的开发提供了理论参考。添加低熔点氧化物、采用湿化学法或新型烧结方法降低陶瓷烧结温度通常会恶化介电性能或增加成本,因此本文制备出具有本征低烧结温度的B aZnP2O7陶瓷,其具有优异的介电性能:εr=8.23,Q×f=56170 GHz和τf=-28.7 ppm/℃。B aZnP2O7陶瓷的介电常数和介电损耗取决于陶瓷的相对密度,τf值在-28 ppm/℃附近波动,展现出对烧结温度的弱依赖性。采用 Mg2+取代Zn2+形成B aZn1-xMgxP2O7无限固溶体,改善了 BaZnP2O7陶瓷的微波介电性能。利用复杂化学键理论计算B aZn1-xMgxP2O7晶体的电极化率、晶格能和键能,从结构-性能的角度解释了微波介电性能的变化。900℃烧结的BaZn0.98Mg0.02P2O7陶瓷展现出了优异的微波介电性能（εr=8.21,Q×f=84760 GHz和τf=-21.9 ppm/℃）以及与Ag电极的化学兼容性,具备应用于LTCC技术的潜力。通过热重-差示扫描量热（Thermo Gravimetric-Differential Scanning Calorimetry,TG-DSC）测试确定了 SrZnV2O7的相形成温度区间和合适的预烧温度。结合TG-DSC和X射线衍射（X-ray Diffraction,XRD）技术确定样品从420℃开始发生化学反应,即SrCO3与ZnV2O6生成相SrZnV2O7,且SrZnV2O7陶瓷的预烧温度在610～700℃范围内。XRD和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope,TEM）分析表明SrZnV207在P21/n空间群的单斜结构中结晶,采用拉曼光谱研究了 SrZnV2O7晶体的振动特性。对在空气、氧气和氮气气氛下烧结的样品分别作X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS）测试,均发现存在V5+向V4+还原的现象。交流阻抗谱和XPS测试证实了 SrZnV207陶瓷在烧结过程中会产生氧空位,导致V5+还原,进而恶化Q×f值。SrZnV207陶瓷具有本征低烧结温度（740℃）、优异的介电性能（εr=11.28,Q×f=56660 GHz和τf=-27.2 ppm/℃）以及与Ag电极的化学兼容性,成为LTCC领域的候选材料。使用HFSS仿真软件设计了一款介质谐振天线并对其实物加工,实现了 SrZnV207陶瓷的器件验证。
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