Mg4Nb2O9基LTCC微波介质新体系及其应用基础研究

本项目采用材料研究、器件设计及制造工艺相结合的三位一体研究模式，研究Mg4Nb2O9基陶瓷的烧结特性、微波介电性能及其在多层微波器件应用方面的材料基础问题。通过不同烧结助剂对材料降温效果的研究，实现对Mg4Nb2O9基材料微波介电性能和烧结特性的调控，探索该材料低损耗、低温烧结机理，获得烧结温度900oC的低介LTCC微波介质新体系；研究Mg4Nb2O9系LTCC微波介质桨料特性，以及陶瓷-银电极共烧特性，揭示影响陶瓷桨料特性的因素，以及异质材料的低温共烧、化学兼容、界面结构等特征，获得一种低温烧结和高性能兼优的LTCC微波介质新材料，为其在微波器件方面的应用提供实验依据。

低温共烧多层陶瓷器件（LTCC）可以有效减小器件尺寸、实现集成化，有重大应用价值。刚玉型结构Mg4Nb2O9（MN）陶瓷具有低介电常数、超低损耗，但是该材料的烧结温度高达1400 ℃、谐振频率温度系数值大（τf = -77 ppm/℃），无法用做LTCC材料。本项目通过元素置换、添加烧结助剂、制备纳米粉体以及制备复合陶瓷实现低烧结温度（≤900 ℃）、并调控其微波介电性能。. Mg4(Sb,Nb1-xVx)O9（x≤0.3）和(Mg4-xLix)(Nb1.92V0.08)O9-δ(x≤0.8)在x取值范围内形成了连续固溶体，陶瓷烧结温度降低到950 ℃，由于形成了晶格缺陷，Q×f值降低；在晶格缺陷和液相协同作用下添加Li2CO3-V2O5 (LV)的MN陶瓷925 ℃实现了致密化，且与Ag有很好的化学兼容性；纳米TiO2 (80 nm)和LiF共掺杂MN的烧结温度降至800 ℃，亚微米晶陶瓷εr=15.7，Q×f=32000 GHz。通过高能球磨获得了粒径为50-80 nm的MN纳米晶，一种简单、大批量制备MN纳米粉体的有效方法。制备了MN/CaTiO3、MN/SrTiO3复合介质，调节了MN的谐振频率温度系数，陶瓷在800 ℃实现致密化烧结，其微波介电性能εr=26.5,Q×f = 6070 GHz，τf=-12 ppm/℃，一类性能优良的LTCC微波介质。. 采用反应烧结法制备了MN陶瓷，其微波介电性能与传统工艺制备的陶瓷相近，该方法工艺简单，成本低廉。另外，本项目还拓展了研究内容，开发了Ca5A4(VO4)O6（A=Mg、Zn、Co）、Mg2SiO4、AWO4 (A = Ca, Ba, Sr)等新型低温烧结、低介电常数、高Qf值微波介质。本项目发表SCI论文13篇、申报发明专利3项。