Li?O–Al?O?–B?O?玻璃对温度稳定的Li?MTi?O?（M = Mg, Zn）陶瓷相结构及微波介电性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Influence of Li 2O–Al 2O 3–B 2O 3 Glass on the Phase Constitution and Microwave Dielectric Properties of Temperature-stable Li 2MTi 3O 8 (M = Mg, Zn) Ceramics

LAB玻璃作为烧结助剂成功将Li2MTi3O8（M=Mg, Zn）陶瓷烧结温度降至900°C，显著提升致密度，其微波介电性能达到εr=25.87/Q×f=56,651 GHz/τf=1 ppm/℃（Mg系）和εr=24.92/Q×f=41,732 GHz/τf=-20.79 ppm/℃（Zn系）。

　　

作者：吴友、聂远、陈凡哲、王梦瑶、陈文坤、黄芳仪、周焕富

教育部有色金属与材料新加工技术重点实验室，桂林理工大学光电材料与器件广西重点实验室，中国桂林541004

摘要

本研究采用Li₂O–Al₂O₃–B₂O₃（LAB）玻璃作为烧结助剂，制备了含有0.1–2 wt% LAB的Li₂MTi₃O₈（M = Mg, Zn）陶瓷。两种材料的最佳烧结温度均降至900°C。烧结观察表明，LAB玻璃在低温下能够熔化形成液相，液相的存在促进了物质传输，从而加速了陶瓷的致密化过程。XRD结合Rietveld精修分析结果显示，LAB的添加并未引起任何相变。最后，详细分析了影响这两种陶瓷系统微波介电性能的主要因素。两种陶瓷均表现出优异的微波介电性能：ε_r = 25.87, Q×f = 56,651 GHz, τ_f = 1 ppm/℃；以及ε_r = 24.92, Q×f = 41,732 GHz, τ_f = -20.79 ppm/℃。

引言

介电常数介于20–80之间的微波介电陶瓷是4–8 GHz频段被动元件（如谐振器、滤波器和天线基板）不可或缺的基底材料[1]–[5]，这些元件能够实现移动通信基站和卫星链路中的低损耗信号传输[6]–[9]。尽管介电常数中等材料的信号延迟略长于低介电常数材料，但其更强的电磁极化率显著降低了微型化被动元件的尺寸[10]–[11]。Li₂MgTi₃O₈和Li₂ZnTi₃O₈陶瓷因其出色的微波介电性能而受到广泛关注。考虑到其在低温烧结技术（LTCC）中的应用，已有大量相关研究报道。例如，陈等人[12]使用BaCu(B₂O₅）作为烧结助剂，成功将Li₂ZnTi₃O₈陶瓷的烧结温度从1075°C降至925°C。含有1.5 wt% BaCu(B₂O₅的样品在925°C下烧结4小时后，表现出ε_r = 23.1, Q×f = 22732 GHz, τ_f = –17.6 ppm/℃的微波介电特性，并验证了其与Ag电极的化学相容性。陈等人[13]同样使用BaCu(B₂O₅将Li₂MgTi₃O₈陶瓷的烧结温度降至900°C，最佳组分的微波介电性能为ε_r = 26, Q×f = 36200 GHz, τ_f = -2 ppm/℃。尽管先前的研究通过添加各种烧结助剂成功将两种陶瓷的烧结温度降至约900°C，但所得到的Q×f值仍无法满足高频器件的要求，说明现有烧结助剂的性能仍有提升空间。为了满足高频器件和LTCC应用的需求，探索更有效的烧结助剂以合成高性能微波介电陶瓷至关重要。

玻璃陶瓷的微波介电性能已有大量文献报道，例如BaO–ZnO–B₂O₃–P₂O₅玻璃（ε_r = 4.16, Q×f = 12,250 GHz）、MgO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂ + 3% wt V₂O₅玻璃（ε_r = 3.79, Q×f = 12,520 GHz）以及CuO-B₂O₃-Li₂O玻璃（ε_r = 5.84, Q×f = 10,120 GHz）。Li₂O–Al₂O₃–B₂O₃玻璃具有优异的微波介电性能（ε_r = 3.67, Q×f = 32,000 GHz）[14]，其低介电损耗确保陶瓷基体在降低烧结温度后仍保持较高的Q×f值。LAB玻璃具有低介电损耗和低烧结温度，是一种优良的烧结助剂。本研究利用Li₂O–Al₂O₃–B₂O₃玻璃作为烧结助剂，制备了Li₂MgTi₃O₈和Li₂ZnTi₃O₈陶瓷。通过常规固相反应路线设计并合成了两种陶瓷体系（Li₂MTi₃O₈（M = Mg, Zn）+ x wt% LAB）。通过图像烧结观察了LAB玻璃对陶瓷的润湿作用，并利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）系统研究了LAB添加对相组成和微波介电性能的影响。

实验方法

本研究制备的Li₂MTi₃O₈（M = Mg, Zn）+ x wt% LAB（x = 0.1–2）陶瓷采用固相反应法制备。按化学计量比称取Li₂CO₃、MgO、ZnO和TiO₂，将混合粉末放入尼龙容器中，用无水乙醇作为球磨介质进行4小时球磨，随后在850°C下煅烧4小时。Li₂CO₃（≥98%）、Al₂O₃（≥99%）和B₂O₃（≥98.5%）也按化学计量比称取。

结果与讨论

通过添加玻璃相降低陶瓷的烧结温度是一种有效方法。理想情况下，玻璃在高温下熔化形成液相，该液相能够润湿陶瓷体系[15]，加速物质传输，从而促进致密化并消除孔隙[16]、[17]。为了验证本文选用的LAB玻璃是否为理想的烧结添加剂，通过图像烧结观察了其润湿效果。如图1所示，...

结论

本研究制备了Li₂MgTi₃O₈ + x wt% LAB和Li₂ZnTi₃O₈ + x wt% LAB陶瓷。图像烧结结果表明，LAB玻璃对这两种陶瓷均具有优异的润湿性能。XRD和Rietveld精修分析进一步证实LAB未与陶瓷的任何主要相发生反应。SEM分析显示两种陶瓷的表面微观结构均较为致密，其中Li₂MgTi₃O₈ + x wt% LAB组分的致密化程度更高。...

作者贡献声明

周焕富：撰写、审稿与编辑、资料整理。 聂远：撰写初稿。 吴友：撰写初稿。 黄芳仪：撰写、审稿与编辑。 陈文坤：概念构思。 王梦瑶：数据管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了广西自然科学基金项目（2024GXNSFDA010060）、广西科技计划项目（GuikeAD25069100）和桂林市科学技术发展计划项目（20230120-8）的支持。