低介四方/六方相堇青石微波陶瓷的制备与性能优化研究

Cordierite（er：4~6）is one of key candidate materials in present international researching fields on low permittivity microwave ceramics. On basis of mastering the dependence of [(Si4Al2) O18] ring roundness on its microwave properties in tetragonal phase cordierite ceramics fabricated by traditional ceramic sintering reaction method, the project plans to use the fabricating methods of both hot pressing sintering (HP/SPS) and glass ceramics prepare (Mg1-xMx)2(Al1-yNy)4Si5O18(M=Sr2+/La3+, N=Ti4+) tetragonal and hexagonal cordierite ceramics, and investigate correlation mechanism of microwave properties with internal and external influencing factors such as ceramic crystal structure [(Si4Al2)O18] ring roundness, ordered degree of the Si/Al atomic arrangement, oxygen vacancy, grain size, crystallinity, etc, and systemly control the influences of various microstructure factors on microwave properties, and jointly advance the values of Qf and tf of the above ceramics. This project will enrich the understanding of the silicate ceramics dielectric properties and the types of low dielectric microwave ceramics and the preparation methods of hot pressed sintering (HP/SPS) and glass ceramics in the field of microwave ceramics.

堇青石（er：4~6）是当今国际低介微波陶瓷研究的热点材料之一。项目在掌握常压烧结制备四方相堇青石陶瓷[(Si4Al2)O18]环圆度与其微波性能关联规律基础上，采用热压烧结(HP/SPS)与玻璃陶瓷法制备(Mg1-xMx)2(Al1-yNy)4Si5O18(M=Sr2+/La3+, N=Ti4+)同成分四方/六方相堇青石陶瓷，研究堇青石晶体结构中[(Si4Al2)O18]环圆度、环上Si/Al原子排列有序度等本征与陶瓷晶粒尺寸大小、氧空位、结晶度等非本征的微波性能影响因素与其性能的关联机制，综合协调控制其各微结构因素的影响，提升上述成分堇青石陶瓷的Qf与tf值的协同优化。该项目的实施将丰富现有硅酸盐陶瓷介电性能的物性认识与低介微波陶瓷的种类以及热压烧结(HP/SPS)与玻璃陶瓷的制备方法在微波陶瓷领域的应用。

随着5G/6G移动通讯技术的发展与网络建设，低介电常数的陶瓷基材料在5G通讯系统中作为基站、微基站、手机终端以及微波雷达中继、GPS/北斗导航系统中作为天线、滤波器、双工器、微带线的基板材料上存在广泛的用途。项目选取超低介电常数的镁堇青石（Mg2Al4Si5O18）作为原型，针对镁堇青石的低温正交与高温六方相的晶体结构特征展开结构调整与性能优化研究。项目在镁堇青石堇青石改性研究基础上，进一步拓展了其他低介硅酸盐陶瓷材料的微波介电性能研究以及探索超低介电常数陶瓷的器件化与冷烧结低碳加工技术。项目取得一系列原创性的理论与实物成果。项目取得重要成果：1）项目通过对正交相镁堇青石的 [(Si4Al2)O18]六元环上Si/Al原子呈[-Si(3)O4-Si(2)O4-Al(2)O4-Si(3)O4-Si(2)O4-Al(2)O4-]完全有序排列和[Mg6O36]六元环进行组分修饰与结构调控，在国际上首次获得Qf值150000GHz@14GHz的超高品质因数堇青石型陶瓷材料，远高于目前国际同行报道最高99000GHz的性能。2）项目在国际上首次采用太赫兹与远红外光谱对高品质堇青石型陶瓷在2太赫兹下的介电常数与介电损耗进行光谱拟合与实际介电性能验证测试，证实堇青石型陶瓷在未来毫米波与太赫兹通讯中可以应用，堇青石型陶瓷介电性能可以媲美美国低介电常数Ferro A6M系列陶瓷浆料。3）项目在高品质堇青石型陶瓷材料基础上，采用Bi2O3-B2O3-SiO2(BBS)玻璃粉、硼酸、LiF等助熔剂降低堇青石型陶瓷的烧结致密化温度至950℃，实现LTCC烧结。4）项目依据对称性的高低研究立方相石榴石型Y3MgAl3SiO12，六方相磷灰石结构硅酸盐CaLa4Si3O13，正交相硅酸盐Ba9Y2Si6O24。多组元的硅酸盐陶瓷的品质因数与其晶体结构对称性存在正关联。5）项目采用冷烧结制备Mg2SiO4-K2MoO4，CaSnSiO5--K2MoO4等复合微波介质陶瓷，结合北斗导航系统与5G通讯频率，设计加工陶瓷基原型天线。项目取得有关硅酸盐材料的结构与介电性能调控的理论性结果，有科学与社会经济意义。