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Mg2SiO4 微波介质陶瓷的介电性能及其制备方法

演讲人：王月演讲人：王月

Mg2SiO4 微波介质陶瓷晶格结构

Mg2SiO4 微波介质陶瓷介电性能

Mg2SiO4 微波介质陶瓷制备工艺

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目录

Mg2SiO4 微波介质陶瓷存在的问题Mg2SiO4 微波介质陶瓷存在的问题

1.Mg2SiO4 微波介质陶瓷晶格结构

Mg2SiO4(Forsterite) 是地幔中的主要成分，常被称为镁橄榄石。 Mg2SiO4 是由 Si-O 四面体和 Mg-O 八面体通过共顶、共棱架构而成，且 Si-O 四面体不互相连接的孤立的岛状硅酸盐化合物，如图所示为其晶体结构。

（ 1 ） [SiO4] 四面体：硅氧四面体是孤立的， Si4+ 位于四面体中心， O2- 位于四面体角顶；Si—O 平均距离 0.160 nm ，电负性差 D = 1.7 ，说明 Si—O 键并非纯离子键结合，而是具有相当高的共价键成分，离子键和共价键大约各占一半。

Si

O

O

O

O

这是 Mg2SiO4 具有低介电常数的本质特性！这是 Mg2SiO4 具有低介电常数的本质特性！（ 001 ）立体俯视图（ 001 ）立体俯视图

（ 2 ）硅氧四面体之间是由镁离子按镁氧八面体的方式相连的。每一个 O2- 离子和三个 Mg2+ 离子以及一个 Si4+ 离子相连，电价是平衡的。

（ 2 ）硅氧四面体之间是由镁离子按镁氧八面体的方式相连的。每一个 O2- 离子和三个 Mg2+ 离子以及一个 Si4+ 离子相连，电价是平衡的。

2.Mg2SiO4 微波介质陶瓷介电性能Mg2SiO4 具有优良的微波介电性能：εr=6~7 Qf=240,000GHz τf=-60×10-6/℃ 。

由上面可知， Mg2SiO4 具有低的介电常数，高的 Qf 值，相比 A12O3 陶瓷具有低的烧结温度，是比较适合作为低介电常数介质谐振器的一种微波介质材料，同时也常作为电子电路中的基版材料。

由上面可知， Mg2SiO4 具有低的介电常数，高的 Qf 值，相比 A12O3 陶瓷具有低的烧结温度，是比较适合作为低介电常数介质谐振器的一种微波介质材料，同时也常作为电子电路中的基版材料。

2.1 Mg2SiO4 微波介质陶瓷的掺杂改性

为了将材料的谐振温度系数调节至近零，通常使用下面两种方法：

1 ）添加具有正的谐振温度系数的改性剂 2 ）形成固溶相 研究人员为了将 Mg2SiO4 陶瓷谐振频率温度系数 τf 调节至近零

，通常选择 TiO2 作为改性剂，因为其具有高 τf （ 450ppm/℃)值。

当向 Mg2SiO4 陶瓷中添加 24wt% 的 TiO2 时，材料的烧结温度从 1350℃ 大幅降低至 1200℃ ，且谐振频率温度系数也调节至近零。

由图已知，当烧结温度>1400℃ ， Qf 和 τf 急剧下降，这是因为生成 MgTi2O5

and MgSiO3

Sub title

结论

TiO2 不仅可以将谐振温度系数调节近零，还可以降低烧结温度。

TiO2 不仅可以将谐振温度系数调节近零，还可以降低烧结温度。

考虑到在高温下 TiO2 容易与 Mg2SiO4 反应而削弱其对材料谐振频率温度系数的调节功能。 H.Ohsato 等人试图将 TiO2 微小颗粒与 Mg2SiO4 多孔陶瓷物理复合以达到调节温度系数的目的。

具体工艺过程是：先将 Mg2SiO4 与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 复合制备成多孔陶瓷，然后利用液相沉淀法(Liquid Phase Deposition ， LPD) 将 TiO2 颗粒填充至微孔中。当 TiO2 沉淀量为 16.9wt% 时，材料的谐振频率温度系数被调节至 -5ppm/℃ ，但是 Qf 下降急剧。

为了将 Mg2SiO4 陶瓷谐振频率温度系数调节近零，研究人员也会采取形成固溶相的方法来实现。为了改善 Mg2SiO4 陶瓷的微波介电性能 , 选择用 Zn2+ 来置换 Mg2+ ，由于 Zn 离子半径(rZn2+=0.74nm) 与 Mg 离子半径 (rMg2+=0.72nm) 接近 , 满足能够满足固溶体的必要条件之一：

但是，这两者具有不同的晶体结构，因此不能无限固溶。浙江大学的陈湘明等人发现 Zn 置换 Mg 有利于降低 Mg2SiO4 的烧结温度和改善 Mg2SiO4 的微结构 ，并对不同 Zn/Mg摩尔比的 (Mg1-xZnx)2SiO4进行研究，其介电性能如下表所示

10.7

10.0

10.1

10.2

10.5

-63

-67

-69

-68

-59

7.5

7.3

7.8

7.2

112,780

74,830

71,210

40,140

53,010

0

0.05

0.1

0.2

0.4

f0 (GHz)

εr Qf (GHz) τf (ppm/℃)

7.5 7.5

10.9

10.8

10.8

10.7

11.0

-60

-55

-58

-53

-58

6.6

6.8

7.0

7.0

6.7

95,650

81,320

78,540

21,170

35,330

0.6

0.8

0.9

0.95

1.0

x εr Qf τf

A 0.1 10.0 129,858 -49.6ppm/℃

B 0.55 9.03 525,000 0.6 ppm/℃

C 0.07 6.87 105,000 -71.8 ppm/℃

D 0.025 6.71 180,000 -71.1 ppm/℃

A:(1-x)CaWO4-XMg2SiO4 B:(1-x)Ba3(VO4)2-xMg2SiO4

C:(1−x)Mg2SiO4–xCa2SiO4 D:(1−x)Mg2SiO4–xMn2SiO4

2.2 抑制 MgSiO3 杂相的生成

在 Mg2SiO4 陶瓷过程中，存在一个关键问题尚未解决，即MgSiO3第二相的消除问题。浙江大学的陈湘明研究小组通过改变Mg/Si摩尔比有效地抑制 MgSiO3 相的出现，当 Mg/Si=2.025 和 2.05 时，材料形成了单一的橄榄石相。

3.Mg2SiO4 微波介质陶瓷制备工艺

Mg2SiO4 微波介质陶瓷主要分为溶胶 -凝胶法和固相合成法。两者的区别在于前驱体粉末的制备，前者是利用化学的方法合成前驱体粉末，可以实现纳米尺度上的混合。而后者则是是氧化物的直接机械混合，与其前者相比，具有工艺简单，成本低，可大规模生产的优点。下面简述 2种主要获得Mg2SiO4 微波介质陶瓷制备方法：

3.1 固相合成法

1.配料：2MgO+SiO2

1.配料：2MgO+SiO2 700℃煅烧

3h700℃煅烧3h

80℃热烘24h80℃热烘24h

2.混料（ ZrO2球和无水乙醇球磨12h ）

2.混料（ ZrO2球和无水乙醇球磨12h ）

3.烘干（红外烘干箱）3.烘干（红外烘干箱）

4.预烧：（放于氧化铝坩埚内12O0℃ 一 1350 /3h℃ ）

4.预烧：（放于氧化铝坩埚内12O0℃ 一 1350 /3h℃ ）

5.二次球磨： 3h5.二次球磨： 3h

6.造粒成型： 6wt%PVA 、压制 Φ15的片子6.造粒成型： 6wt%PVA 、压制 Φ15的片子

7.排胶、烧结：（ 12O0℃ 一1350℃ ） /3h7.排胶、烧结：（ 12O0℃ 一1350℃ ） /3h

特别注意：在排胶过程中，要将胚体加热至 600 ℃保温3h 。随后在烧结过程中，以 5℃/min升至烧结温度保温3h ，随后又以 5℃/min 降至 1050℃ ，之后在随炉冷却至室温。

特别注意：在排胶过程中，要将胚体加热至 600 ℃保温3h 。随后在烧结过程中，以 5℃/min升至烧结温度保温3h ，随后又以 5℃/min 降至 1050℃ ，之后在随炉冷却至室温。

成瓷成瓷

3.2 溶胶 -凝胶合成法

Mg(NO3)26H2OMg(NO3)26H2O (C2H5O4)Si(C2H5O4)Si

Mg2+ 的乙醇溶液Mg2+ 的乙醇溶液

正硅酸乙脂的乙醇 正硅酸乙脂的乙醇

前驱体溶液前驱体溶液

干胶（ 120 ℃烘干）

干胶（ 120 ℃烘干）

粉末（高温煅烧 700-900)粉末（高温煅烧 700-900)

4.Mg2SiO4 微波介质陶瓷存在的问题

Mg2SiO4 微波介质陶瓷具有较大负谐振频率温度系数、较高烧结温度和存在杂相的缺点，目前只有少量的关于其谐振频率温度系数调节、低温烧结和抑制杂相生成的报道，并且该体系的性能并没有得到最优化，同时与 Ag 电极共烧情况报道较少，且缺少其在微波器件上的实际应用。

Mg2SiO4 微波介质陶瓷具有较大负谐振频率温度系数、较高烧结温度和存在杂相的缺点，目前只有少量的关于其谐振频率温度系数调节、低温烧结和抑制杂相生成的报道，并且该体系的性能并没有得到最优化，同时与 Ag 电极共烧情况报道较少，且缺少其在微波器件上的实际应用。

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