低介电Mg2Al4Si5O18基微波介质陶瓷的制备、性能调控及应用研究

作     者：张议匀 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴海涛

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Mg2Al4Si5O18 微波介质陶瓷 介电性能 掺杂调控 微带天线 

摘      要：随着微波通信的迅速发展,微波介质陶瓷在微波频段电路中扮演着重要的角色,被广泛应用于微波谐振器和基片等电子元件中,对推动通信技术发展具有重要意义。此类通信产品的质量主要取决于介电性能,包括介电常数、品质因数和谐振频率温度系数。堇青石(MgAlSiO)陶瓷因其卓越的介电性能备受瞩目。本文首先通过XRD、SEM、FTIR等测试,深入探究了MgAlSiO陶瓷的结构和性能;然后在Si位点部分掺杂Ge,重点研究了MgAl(SiGe)O（0.02≤x≤0.10）陶瓷的介电性能变化及其影响机制,并尝试利用Li F和HBO来降低陶瓷的烧结温度;最后,采用三种不同的衬底材料制备了MgAlSiO基同轴馈电矩形微带天线,以验证其在天线应用中的潜力。具体的研究情况如下: （1）本研究考察了MgAlSiO陶瓷的烧结特性、物相组成、晶体结构和介电响应,并进行了能带结构、态密度、复介电常数和化学键特性计算。结果显示,MgAlSiO陶瓷在1425℃时表现出优异的介电性能和高密度:ε=4.49,Q×f=58,609 GHz,τ_f=–12.72 ppm/℃,ρ=2.35 g/cm,ρ=94%。其中,密度和f在材料的外部电场极化中发挥着重要作用,对ε的调节至关重要;而密度和Si-O化学键特性的优化可以有效调控Q×f。这些为微带天线的高质量奠定了基础,其微带天线的S11参数为–34.93 dB,VSWR值为1.0375,最大增益为6.46 dB,辐射效率为99.60%。 （2）本研究利用第一性原理、远红外反射光谱和P-V-L理论探讨了Si在MgAlSiO晶体中的作用,并拓展分析了MgAl(SiGe)O陶瓷介电性能的变化,重点关注了掺杂对其结构畸变和晶格振动的影响。研究发现,掺杂Ge能显著提高陶瓷密度,使ρ和ρ分别达到2.41 g/cm和95.91%的峰值。在x=0.08时,陶瓷展现出最佳的介电性能:ε=4.90,Q×f=128,182 GHz,τ_f=–21.01 ppm/℃。此外,添加3wt.%Li F可将烧结温度降至1200℃～1240℃范围内,且保持了优异性能:ε=5.03,Q×f=111,044 GHz,τ_f=–10.58 ppm/℃。在整个掺杂过程中,低频段晶格振动和离子位移极化对介电性能起着关键作用。具体而言,ε的变化主要归因于孔隙率和f的影响;Q×f的调整依赖于密度、[Al（Si/Ge）]和[O]六元环的对称性以及U的贡献;而τ_f的变化则与Al-O化学键特性、γ和[MgO]八面体畸变密切相关。通过性能的优化调控,MgAl(SiGe)O和MgAl(SiGe)O+3wt.%Li F的微带天线性能表现分别为:S11参数为–38.45 dB和–39.07 dB,VSWR值为1.0419和1.0225,最大增益为6.37 dB和6.42 dB,辐射效率为99.91%和99.80%。