文章编号:1001-9731(2023)07-07131-08Ca3MgSi2O8陶瓷:烧结行为、晶格振动和介电性能研究*邓炼,杨清岚,何颖晗,韦小利,韦孝鹏,张海林,周焕福(桂林理工大学材料科学与工程学院,广西桂林541004)摘要:采用传统的固态反应法制备了单斜晶系的Ca3MgSi2O8(CMSO)陶瓷。XRD表明1350~1425℃烧结的CMSO均为单相结构(空间群:P21/a)。SEM发现,当烧结温度为1400℃时,CMSO陶瓷具有最佳的表面形貌和优异的微波介电性能:εr=13.62,Q×f=42292GHz,τf=-48.36×10-6/℃。讨论了CMSO陶瓷的Q×f值与填充分数和共价键的关系。通过拉曼光谱研究了晶格振动对CMSO内部介电损耗的影响,计算出MgO6八面体畸变,从而解释了τf变化的内在机制。综上所述,CMSO陶瓷在移动通信基站、卫星导航和雷达通信领域具有良好的应用前景。关键词:低介电常数;Ca3MgSi2O8;填充分数;微波介电性能;共价键强度中图分类号:TQ174.1;TB34文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2023.07.0170引言通信技术的飞速发展要求微波介质材料必须具备高频化、频率可调谐等特点。由于陶瓷基板的透射率与介电常数成反比,如果想要实现高通信速率,微波介质陶瓷基板在保持低介电常数(εr)的同时,必须具有较高的品质因数(Q×f)和近零的谐振频率温度系数值(τf)[1-3]。此外,为了满足市场的要求,微波陶瓷必须降低成本,即原料需满足成本低、资源储备充足、无毒无害的特点[4-5]。近年来,碱土硅酸盐材料因其成本低廉、原料资源丰富而受到广泛关注。同时Si-O是一种强共价键,对周围电子有很强的结合力,因此Si基微波介质陶瓷通常具有较低的介电常数[6-7],如:Sr2MgSi2O7(εr=6.85,Q×f=22530GHz)[8]、Ca2MgSi2O7(εr=9.86,Q×f=8016GHz)[9]、SrMgSi2O6(εr=6.7,Q×f=25800GHz)[10]、Sr3MgSi2O8(εr=11.06,Q×f=25375GHz)[11]等。这些材料均具有较低的介电常数(εr<15),但由于Q×f较低,限制了碱土硅酸盐从材料的实际应用。Ca3MgSi2O8作为一种Mewenite型的硅质化合物,最近被许多学者作为研究离子掺杂荧光粉的主体材料[12-14]。Cao等[15]在Ca3MgSi2O8材料中引入Eu3+,制备出了在近紫外激发白光发光二极管中具有应用前景的Ca3MgSi2O8:Eu3+荧光粉。目前关于CMSO陶瓷微波性能的报道中,其品质因数仅达到27000GHz[16-17]。本文采用固相反应法制备了Ca3MgSi2O8(CMSO)碱土硅酸盐基材料,鉴于硅酸盐材料对原料的敏感性,通过优化原料从而改善其微波性能,利用拉曼光谱进一步分析了晶格振动特性,确定了CMSO陶瓷结构与介电性能的关系,并对它们的微...
