本文關鍵詞：低介電常數熔融石英微波介質材料的制備

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【摘要】：熔融石英具有極低的相對介電常數(εr)、較高的品質因數(Q×f)和近零的諧振頻率溫度系數(τf),在高頻微波元器件和微波基板等領域具有廣闊的應用前景。本文分別采用固相燒結法和溶膠凝膠法制備了熔融石英微波介質材料,利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)和矢量網絡分析儀等設備系統(tǒng)研究了燒結工藝、燒結氣氛和制備方法對材料的物相組成、析晶量、顯微形貌和微波介電性能的影響。首先研究了固相燒結法的燒結工藝和退火溫度對材料的物相組成、顯微形貌和微波介電性能的影響。結果表明,當燒結溫度過低或保溫時間過短時,材料中沒有或只有少量的方石英析出,但材料未燒結致密,材料的微波介電性能較差;而燒結溫度過高或保溫時間過長,材料雖能燒結致密,但方石英的析出量顯著增加,引起嚴重的表面裂紋甚至剝落,使得材料性能下降。同時,材料經適宜的溫度退火處理后,沒有發(fā)生明顯的物相變化,而材料表面的顯微裂紋減少,材料性能得到提高;而不恰當的退火溫度則可能引起鱗石英的析出,反而降低材料性能。經1300℃、3h燒結,且1200℃、3h退火處理后,材料具有良好的微波介電性能:εr=3.77、Q×f=66 758GHz、τf=-6.60ppm/℃。采用固相燒結法,對不同燒結氣氛所得熔融石英的物相組成、析晶量、顯微形貌、微波介電性能以及析晶動力學進行了研究。結果表明,燒結氣氛對材料的物相組成沒有明顯影響,但與空氣燒結相比,真空、氮氣和埋粉燒結均可提高方石英的初始析出溫度,在不同程度上抑制熔融石英的析晶,從而提高了材料的性能;燒結溫度為1300℃~1375℃時,熔融石英的析晶活化能Ea大小依次為:真空埋粉氮氣空氣;并且隨著燒結溫度的升高,試樣的k值不斷增大,表明方石英的生長速率均是逐漸增加的。在真空環(huán)境下,經1350℃、3h燒結后,材料具有最佳的微波介電性能:εr=3.83、Q×f=74 182GHz、τf=-6.88ppm/℃。與固相燒結法相比,溶膠凝膠法可以制得顆粒均勻細小、粉體活性高的Si O2粉體,能夠降低材料的燒結溫度,因此采用溶膠凝膠法制備熔融石英微波介質材料,并對材料的燒結特性、物相組成、顯微形貌和微波介電性能進行研究。結果表明:溶膠凝膠法可以將材料的燒結溫度降至1150℃;溶膠凝膠法制得的粉體表面有較多的硅羥基鍵等缺陷,使得材料發(fā)生整體析晶而非表面析晶;在同等溫度下,細顆粒粉體制備的試樣具有更高的體積密度,性能也更好;采用粒徑為120nm左右的粉體制備的生坯經1150℃、3h燒結后,具有較佳的微波介電性能:εr=3.59、Q×f=61272GHz、τf=-10.0ppm/℃。
【關鍵詞】：熔融石英 微波介電性能 析晶 燒結氣氛 溶膠凝膠法
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB34
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-32
• 1.1 引言12
• 1.2 微波介質材料的性能評價12-17
• 1.2.1 介電常數13-15
• 1.2.2 品質因數15-16
• 1.2.3 諧振頻率溫度系數16-17
• 1.3 熔融石英的性能及應用17-22
• 1.3.1 熔融石英簡介17-18
• 1.3.2 熔融石英的性能18-20
• 1.3.3 熔融石英的應用20-22
• 1.4 熔融石英的結構22-24
• 1.4.1 玻璃結構的幾種學說22-23
• 1.4.2 熔融石英的結構23-24
• 1.5 熔融石英的析晶及抑制24-27
• 1.5.1 熔融石英的析晶機理24
• 1.5.2 熔融石英析晶的影響因素24-27
• 1.5.3 熔融石英析晶的抑制27
• 1.6 溶膠凝膠(Sol-Gel)法制備SiO2粉體顆料27-30
• 1.6.1 細顆粒SiO2粉體的制備方法28
• 1.6.2 溶膠凝膠法制備SiO2粉體的反應機理28-29
• 1.6.3 溶膠凝膠法制備SiO2粉體的影響因素29-30
• 1.7 課題的提出與研究內容30-32
• 第二章 材料的制備及性能表征32-37
• 2.1 實驗原料及設備32-33
• 2.1.1 實驗原料32
• 2.1.2 實驗設備32-33
• 2.2 試樣制備33-34
• 2.2.1 固相燒結法33
• 2.2.2 溶膠凝膠法33-34
• 2.3 測試與分析34-37
• 2.3.1 體積密度34-35
• 2.3.2 物相組成35
• 2.3.3 顯微形貌35
• 2.3.4 傅里葉紅外光譜35
• 2.3.5 微波介電性能35-37
• 第三章 固相燒結法制備熔融石英微波介質材料的工藝研究37-51
• 3.1 引言37
• 3.2 實驗原料及方法37-38
• 3.3 燒結溫度對熔融石英物相和微波介電性能的影響38-43
• 3.3.1 燒結溫度對熔融石英物相組成的影響38-39
• 3.3.2 燒結溫度對熔融石英顯微形貌的影響39-42
• 3.3.3 燒結溫度對熔融石英體積密度和微波介電性能的影響42-43
• 3.4 保溫時間對熔融石英物相和微波介電性能的影響43-46
• 3.4.1 保溫時間對熔融石英物相組成的影響43-44
• 3.4.2 保溫時間對熔融石英顯微形貌的影響44-45
• 3.4.2 保溫時間對熔融石英體積密度和微波介電性能的影響45-46
• 3.5 退火溫度對熔融石英物相和微波介電性能的影響46-50
• 3.5.1 退火溫度對熔融石英物相組成的影響47-48
• 3.5.2 退火溫度對熔融石英顯微形貌的影響48
• 3.5.3 退火溫度對熔融石英體積密度和微波介電性能的影響48-50
• 3.6 本章小結50-51
• 第四章 燒結氣氛對熔融石英析晶和微波介電性能的影響51-64
• 4.1 引言51
• 4.2 實驗方法51-52
• 4.3 析晶量的計算52-53
• 4.3.1 計算方法52
• 4.3.2 方法驗證52-53
• 4.4 燒結氣氛對熔融石英析晶和微波介電性能的影響53-59
• 4.4.1 燒結氣氛對熔融石英物相組成和析晶量的影響53-55
• 4.4.2 燒結氣氛對熔融石英顯微形貌的影響55-57
• 4.4.3 燒結氣氛對熔融石英體積密度和微波介電性能的影響57-59
• 4.5 不同燒結氣氛下熔融石英的析晶動力學研究59-62
• 4.6 本章小結62-64
• 第五章 溶膠凝膠法制備熔融石英微波介質材料64-74
• 5.1 引言64
• 5.2 實驗方法64-65
• 5.3 溶膠凝膠法制得SiO2粉體的性質65-67
• 5.4 溶膠凝膠法粉體制得熔融石英的物相組成67-68
• 5.5 溶膠凝膠法粉體制得熔融石英的顯微形貌68-70
• 5.6 溶膠凝膠法粉體制得熔融石英的體積密度和微波介電性能70-72
• 5.7 本章小結72-74
• 第六章 全文總結74-76
• 6.1 本文主要結論74-75
• 6.2 本文創(chuàng)新之處75-76
• 參考文獻76-84
• 致謝84-85
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文85

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