钛酸镁基微波介质陶瓷的制备工艺及其性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

微波介质陶瓷，是指应用于微波频段（主要是UHF、SHF频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，在现代通信中被广泛用作谐振器、滤波器、介质基片、介质天线、介质导波回路等^[1]。微波介质陶瓷制成的谐振器与金属空腔谐振器相比，具有体积小，重量轻，温度稳定性好，价格便宜等特点，已在便携式电话，汽车电话，无绳电话，直放站，军事雷达及全球卫星定位系统等方面获得广泛的应用^[2]。随着移动通信技术向更小型化和更高频化的发展，对微波介质陶瓷也提出了更高的要求，即寻求高相对介电常数，以便于器件小型化；高品质因数以保证优良的选频特性和接近于零的谐振频率温度系数，以保证高热稳定性^[3,4]。

钛酸镁瓷是一种重要的微波介质陶瓷。1936年德国的R.Riecke和A. Unewiss等人成功研制了介电常数为13-18的钛酸镁系高频瓷料，由于其介电损耗低、介电常数温度系数小，原料丰富、成本低廉，引起了各国材料工作者的极大关注^[5]。目前，钛酸镁基微波介质陶瓷在高频热补偿电容器、多层陶瓷电容器中得到了广泛的应用。钛酸镁系统存在三种化合物：正钛酸镁（2MgO-TiO₂）、偏钛酸镁（MgO-TiO₂）、二钛酸镁（MgO-2TiO₂），三者中正钛酸镁、偏钛酸镁具有良好的微波介电性能，但晶体结构不同，前者为尖晶石结构，后者属于钛铁矿结构，二钛酸镁的介电损耗比较高，是制备过程中不希望获得的晶相。

至今为止，国内外有多种制备钛酸镁基微波介质陶瓷粉末的实验方法：固相反应法^[6,7]、化学共沉淀法^[8,9]、电化学方法^[10]、聚合物分解法^[11]、溶胶凝胶法^[12,13,14]。然而，目前对于钛酸镁的合成还主要集中在传统制备工艺上。其中，固相法虽然合成温度较高，合成周期较长，耗能耗时，但因其工艺简单，目前还是合成微波介质陶瓷粉末的主流。对于利用一些新的合成方法来合成钛酸镁基微波介质陶瓷粉末，如微波合成法^[15]，水热法^[16],熔盐法^[17]等，还有待探索。同时，纯钛酸镁体系陶瓷的烧结温度过高，无法与金属导体共烧，限制了其在电子器件集成中的应用。因此，对钛酸镁基微波介质陶瓷的配方及工艺的探索具有重要意义。

已有制备方法	优点	问题
固相反应法	合理的温度制度可以帮助获得理想的生成物，简单易行。	合成温度较高，合成周期较长，耗能耗时。
化学共沉淀法	沉淀物的反应活性很好，合成温度较低，产物均匀。	沉淀剂的选择对原子尺寸上实现成分均匀混合影响很大，溶液pH值控制需要十分精确，前驱体所用原料成本较高。
电化学法	合成条件比较温和，对环境污染小。	所用的高纯度Mg条、Ti片等的清洗处理，电解质溶液的严格除水等对实验条件要求高。
聚合物分解法	与共沉淀法相比，不存在因溶解度及 pH 值不同产生分相从而造成成分混合不均的问题，特别适于制备多组分的电子陶瓷粉体。	原料成本较高，实验条件复杂，合成周期较长。
溶胶凝胶法	获得的粉末粒径较小，尺寸分布比较均匀。	实验过程复杂，合成周期较长。

尚在实验的制备方法	优势
微波合成法	微波合成法属于固相法，主要借助微波作为热源，通过微波能和热能的转化，进而合成所需产物。
水热法	水热合成法的主要优点是不需要高温煅烧，通过在高温水中反应物间的化学反应可以直接获得所需粉末。
熔盐法	盐法属于湿化学法，是在混合粉末中加入低熔点盐类，通过合成条件控制合成粉末的尺寸和均匀性，在一定程度上可以降低合成温度。
微波水热法	微波水热法是新兴的制备纳米粉体的方法，其最大的特点是能够在极短的时间里获得粉体。与常规水热法相比，微波水热法具有如下几个优势：1) 结晶动力学速度很快；2) 迅速达到所需处理温度；3）可能生成新的亚稳相。

综合来看，当下比较成熟的制备钛酸镁基陶瓷粉末的工艺主要通过两大路线，一是固相法，将各个组分的氧化物或盐类在高温下进行固相反应；二是液相法，通过各种方法制备含镁钛的前驱体，获得其沉淀物或凝胶后再进行煅烧获得粉末，两者各有其优缺点。本论文选择工艺路线简便的固相法作为主要制备方法。

由于钛酸镁陶瓷烧结性能和介电性能的限制，对其的掺杂改性研究一直是钛酸镁基微波介质陶瓷研究的重点。目前，对Ca、Zn、Al、Sr、Co、Ni、Zr、Mn、Fe等都有研究，其中，对Ca、Zn等的研究较为成熟，除此之外还有对其进行玻璃相的掺杂^[18]，Na、K等元素的掺杂^[19]等。通过掺杂，以达到改善其烧结性能（主要是降低烧结温度，增大烧结范围），提高其介电性能的目的。

本论文拟以固相法路线探索制备钛酸镁基微波介质陶瓷粉末的工艺，在已有的研究基础上，通过不同添加剂改善其烧结性能和介电性能，并通过各种技术手段对其形貌和性能进行表征。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：将钛氧化物和镁的碳酸盐或碱式碳酸盐球磨混合均匀，预烧获得钛酸镁陶瓷粉末，加入添加剂后，成型烧结，制备钛酸镁基微波介质陶瓷材料。

材料表征：对钛酸镁基微波介质陶瓷材料进行结构表征和电化学性能测试，通过xrd、sem等表征手段对其形貌结构进行分析，并其介电性能进行系统评估。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－12周：完成材料的合成制备，测试其性能，并对数据进行分析。

第13－14周：完成材料微观结构的测试分析，撰写论文。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 王光辉，梁小平，史奕同等.高介电常数微波介质陶瓷材料的研究现状[j].硅酸盐通报,2008,27(2):312-317

[2] 杨辉,张启龙,王家邦等. 微波介质陶瓷及器件研究进展[j].硅酸盐学报,2003,10(31):965-980

[3] 顾永军，孙道明，李谦等.微波介质陶瓷的助烧与掺杂改性[j].硅酸盐通报,2005,24(4):80-84