謝穎 陳坤懷

（宜興出入境檢驗檢疫局，宜興：214206）

1 前言

近年來，移動通信、衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、藍(lán)牙技術(shù)以及無線局域網(wǎng)（WLA）等現(xiàn)代通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展，這種飛速發(fā)展極大的帶動了現(xiàn)代通信對相關(guān)元器件的需求[1-3]。微波諧振器、濾波器、振蕩器、移相器、微波電容器以及微波基板等元器件龐大的市場需求，再加上微波介質(zhì)陶瓷制作的介質(zhì)諧振器等微波元器件具有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜等優(yōu)點，因此微波介質(zhì)陶瓷發(fā)展得相當(dāng)迅速，其市場也迅速擴(kuò)大，并且在現(xiàn)代通信工具的微型化、片式化、集成化方面起著舉足輕重的作用[4-5]。正是這種強(qiáng)大的市場驅(qū)動，微波介質(zhì)陶瓷得到了廣泛而深入的研究。世界各國都在加大投入進(jìn)行廣泛的研究，陸續(xù)開發(fā)出新材料體系[6-7]。低介微波介質(zhì)陶瓷材料可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊，導(dǎo)彈遙控和GPS天線等。為了調(diào)整陶瓷材料的介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，使其與高溫合金相匹配，可以通過制備鎂橄欖石/堇青石復(fù)相陶瓷這類低介微波介質(zhì)陶瓷體系開展研究，來滿足材料性能的特殊要求。

2 低介微波介質(zhì)陶瓷材料

低介微波介質(zhì)材料，主要用于裝置瓷，是指介電常數(shù)εr不高，一般在10以下；介質(zhì)損耗角正切值小，一般在2×10-4～9× 10-3范圍內(nèi)；機(jī)械強(qiáng)度高，通?？箯潖?qiáng)度為（45～300）MPa，抗張強(qiáng)度為（400～2000）MPa；主要用來制造無線電設(shè)備中裝置零件用的陶瓷。它在無線電設(shè)備中作為固定、安裝、保護(hù)無線電元件以及作為載流導(dǎo)體的絕緣支撐用。例如高頻絕緣子骨架、電子管底座、波段開關(guān)、插座、瓷軸、電阻基體，無線電元件的封裝外殼以及厚、薄膜電路、微波集成電路基片等等。除此以外，在空間技術(shù)以及能源工業(yè)中的應(yīng)用也愈來愈廣。常用的低介微波介質(zhì)陶瓷有高鋁瓷、滑石瓷、莫來石瓷、堇青石瓷、鎂橄欖石瓷等[8]。表1中列出了幾種主要的低介微波陶瓷的性能[9]。

3 鎂橄欖石瓷

鎂橄欖石瓷介電性能比滑石瓷要好，特別是在微波和高溫下性能更加優(yōu)異[10]。鎂橄欖石在高溫下的絕緣電阻高，耐壓強(qiáng)度大，介質(zhì)損耗小。從耐熱性、熱傳導(dǎo)性、化學(xué)穩(wěn)定性以及強(qiáng)度等各方面來看，它是一種很好的電子陶瓷。鎂橄欖石瓷又因其熱膨脹系數(shù)能與Ti-Ag-Cu或Ti-Ni合金匹配，有利于真空封接，用于制造電子管、半導(dǎo)體器件的絕緣零件，如小型金屬陶瓷電子管和晶體管真空密封的外殼或保護(hù)用外殼[11]。該材料很容易獲得平滑表面，因此可用來制作金屬膜電阻、碳膜電阻和線繞電阻的基體以及集成電路基片等。不足之處是由于它的線膨脹系數(shù)大而使抗熱沖擊性差[12]。

鎂橄欖石還用于添加入CaWO4。CaWO4為白鎢礦結(jié)構(gòu)，屬四方晶系，ParkⅡ-Hwan[13]報道了添加了Mg2SiO4的Ca-WO4性能：0.9CaWO4-0.1Mg2SiO4在1200℃燒結(jié)下，εr=10.0，Q·f＝129858GHz，τf=－49.6×10-6/℃。由于它本身具有負(fù)的諧振頻率溫度系數(shù)，要想得到近似為零的諧振頻率溫度系數(shù)，可以添加諧振頻率溫度系數(shù)為正值的材料。OvcharO V[14]報道了Mg2SiO4-MgTiO3-CaT iO3系微波介質(zhì)陶瓷具有優(yōu)良的介電性能，其相對介電常數(shù)可以在10～15之間調(diào)節(jié)，0.75Mg2SiO4-0.25MgTiO3-0.06CaTiO3的微波介電性能為εr=15，Q·f＝5000（f＝10GHz），τf=-8×10-6/℃，燒結(jié)溫度為1350℃。

表1 幾種低介微波介質(zhì)陶瓷的主要性能[9]Tab.1 Themain properties ofm icrowave ceram ics with low dielectric constant

4 堇青石瓷

堇青石瓷由于具有介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù)低、力學(xué)強(qiáng)度高和電絕緣性能良好等優(yōu)點[15]，被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的介電材料，廣泛應(yīng)用于電力電子工業(yè)領(lǐng)域，如用于制造各種類型的電路板、絕緣體、整流罩、電容器、濾波器和混頻器等，并且作為多層封裝材料己獲得應(yīng)用[16]。

堇青石材料中的離子排列不夠緊密，晶格內(nèi)存在較大的空隙，因而材料很難燒結(jié)，介質(zhì)損耗角也比較大，在10-3數(shù)量級。而且燒成溫度范圍窄，致密燒結(jié)溫度和不一致熔融溫度只差幾度，不易致密燒結(jié)[17]。堇青石另一個缺點是機(jī)械性能不好，彎曲強(qiáng)度100MPa左右，這極大的限制了它的使用范圍[18]。

另一方面，正是由于材料結(jié)構(gòu)疏松以及它特殊的結(jié)構(gòu)，因此它具有線膨脹系數(shù)小，抗熱震穩(wěn)定性優(yōu)異等特點。在室溫到800℃之間它的平均熱膨脹系數(shù)為（0.9～1.4）×10-6/℃，這在所有的陶瓷材料中幾乎是最小的。并且具有與硅的性能相接近的熱膨脹系數(shù)以及低介電常數(shù)，因此采用堇青石制作透波材料和優(yōu)良電子封裝材料的前景十分可觀[19-20]。

5 鎂橄欖石/堇青石復(fù)相陶瓷

由以上鎂橄欖石和堇青石的性能可以得出以下結(jié)論：鎂橄欖石瓷的介電損耗低，比體積電阻大，熱膨脹系數(shù)高，但熱穩(wěn)定性差；堇青石的膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好。為了調(diào)整陶瓷材料的介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，可以通過制備鎂橄欖石/堇青石復(fù)相陶瓷來滿足材料性能的特殊要求。在鎂橄欖石-堇青石系中，采用堇青石為10w t％～40w t％的組成，這是既對電學(xué)性能損失不大，又能使耐熱沖擊性有所改善的成分范圍。以此研究不同配方，不同的添加量對所得材料的性能影響[21]。耐高溫天線材料的陶瓷基部分的要求是具有低的介質(zhì)損耗和7.0左右的介電常數(shù)，以及能和高溫合金相匹配的熱膨脹系數(shù)。單一的鎂橄欖石瓷具有的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗可以滿足以上條件，但熱膨脹系數(shù)比較大，在（8～10）×10-6/℃，顯然這樣的材料很難達(dá)到使用要求。利用復(fù)合材料的混合法則，采用低熱膨脹系數(shù)的堇青石瓷進(jìn)行復(fù)合，可以使整體熱膨脹系數(shù)減小，并且可以獲得較低損耗的陶瓷材料。堇青石瓷是一種重要的低介微波介質(zhì)材料，在室溫到800℃之間它的平均熱膨脹系數(shù)約為2.8×10-6/℃，這在所有的陶瓷材料中幾乎是最小的。

謝穎[22]等綜合研究了鎂橄欖石/堇青石復(fù)相陶瓷的性能，發(fā)現(xiàn)鎂橄欖石/堇青石復(fù)相陶瓷的體積密度隨著堇青石含量的增加呈線性下降，介電常數(shù)隨堇青石含量的增加而降低，介質(zhì)損耗隨著堇青石含量的增加呈增高趨勢。并且當(dāng)堇青石的含量在30w t％時，其介電常數(shù)εr約為7.0，低頻介質(zhì)損耗tanδ為1.5×10-3；在微波頻率（10GHz）下的介質(zhì)損耗為1.44×10-3。鎂橄欖石/堇青石復(fù)相陶瓷的熱膨脹系數(shù)隨堇青石含量的升高逐漸降低，可以達(dá)到熱膨脹系數(shù)的可調(diào)節(jié)性，范圍在（4～11）×10-6/℃，鎂橄欖石/堇青石復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度約為105MPa，機(jī)械性能良好。

而且研究結(jié)果為復(fù)相陶瓷的燒結(jié)溫度范圍為1320～1340℃，體積密度隨堇青石含量的增加呈線性下降；介電常數(shù)隨堇青石含量的增加而降低，在5.4～7.6之間；介質(zhì)損耗隨著堇青石含量的增加呈增高趨勢，10GHz頻率下的介質(zhì)損耗在10-3數(shù)量級；熱膨脹系數(shù)隨堇青石含量的升高逐漸降低，可以在（4～11）×10-6/℃范圍內(nèi)可調(diào)，抗彎強(qiáng)度約為105MPa；體積電阻率在常溫下均在1013Ω·cm以上。

6 結(jié)束語

作為耐高溫天線材料的陶瓷基部分，它有低介電常數(shù)、低損耗、熱膨脹系數(shù)與金屬相匹配、在高溫下能有效工作等方面的要求。根據(jù)以上介紹的各種低介微波介質(zhì)陶瓷，經(jīng)過理論和實踐，得出鎂橄欖石和堇青石的各項性能可以滿足使用要求，而且兩者在介電和熱膨脹性能上存在互補(bǔ)。因此，采用鎂橄欖石和堇青石制備復(fù)相陶瓷，既對電學(xué)性能損失不大，又能使耐熱沖擊性有所改善。

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