中國粉體網(wǎng)訊  微波介質(zhì)陶瓷是近幾十年發(fā)展起來的一種新型功能陶瓷材料，可應用于微波頻段（主要是300MHz～30GHz）電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能，是制造濾波器、諧振器、振蕩器、移項器等微波元件的關鍵材料。隨著微波通信技術向毫米波段擴展，新型毫米波器件和系統(tǒng)快速發(fā)展，對微波介質(zhì)陶瓷的介電性能提出了更高的要求。

材料的微波介電性能與組織結構密切相關，可以通過調(diào)節(jié)粉體配方和工藝條件來改變材料的顯微組織，并以此調(diào)節(jié)其介電性能。在微波介質(zhì)陶瓷的制備過程中，其制備技術直接影響所得陶瓷材料的致密程度、晶粒尺寸、晶粒分布、晶界及內(nèi)應力等，進而影響陶瓷的介電性能。陶瓷材料中致密度越高、晶粒尺寸越大，晶粒分布越均勻，其介電常數(shù)越高，品質(zhì)因數(shù)越低。

1、粉體制備技術

（1）固相反應法

通常，微波介質(zhì)陶瓷粉體采用固相反應法合成。該方法是將多種氧化物粉料混合、煅燒，經(jīng)機械研磨而獲得粉體，具有設備、工藝簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。但是通過這種方法難以獲得高純度的物相，同時不能確保粉體成分分布的均勻性。此外，制備的粉體粒徑較大，反應活性較差導致陶瓷的燒結溫度較高。

（2）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是指金屬醇鹽或無機鹽化合物經(jīng)過水解、縮聚再經(jīng)熱處理而成的氧化物或其它化合物固體的方法。使用溶膠-凝膠法可獲得細、均勻、純度高的粉體，并且燒結溫度有所降低。

溶膠-凝膠法相比傳統(tǒng)固相法來說，有較低的粉體合成溫度和燒結溫度，避免了機械研磨過程中引入雜質(zhì)，且組分混合均勻，易得到化學組分準確的多組分材料。但其粉料成本較高，工藝復雜，生產(chǎn)周期較長，較難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

（3）熔鹽法

熔鹽法是通過在常規(guī)固相反應中引入低熔點鹽作為助熔劑來合成物質(zhì)的一種新方法。低熔點鹽的引入導致合成過程中有液相出現(xiàn)，大大加快了離子的擴散速率。

盡管熔鹽法工藝簡單、粉體合成溫度低、保溫時間短、合成粉體的化學成分均勻、產(chǎn)物的形貌易控制，但是燒結過程中熔鹽的揮發(fā)易對爐體造成污染，同時熔鹽法制備的微波介質(zhì)陶瓷的介電性能普遍降低，且原因尚不清楚。

（4）水熱法

水熱法是近幾年發(fā)展起來的最適合規(guī)模生產(chǎn)陶瓷粉體的濕化學制備方法。其基本原理是：把在常溫常壓下不易被氧化的物質(zhì)，以水溶液作為介質(zhì)在密封的壓力容器中進行材料合成，粉體的形成經(jīng)歷了一個溶解-結晶過程。與傳統(tǒng)固相法相比，水熱法制得粉體粒徑很小且分布均勻，團聚程度小，并且該方法投資少、能耗低、無污染、產(chǎn)量也較高。

（5）共沉淀法

共沉淀法是利用各種組分元素的可溶性金屬鹽類，按一定比例配制成溶液，然后加入合適的沉淀劑，各金屬離子形成均勻沉淀，通過調(diào)節(jié)溶液的濃度和pH值等來控制沉淀粉體的性能，將沉淀物煅燒得到組分均勻的氧化物混合體。

共沉淀法的優(yōu)點在于制備工藝簡單、成本低、制備條件易于控制，并且它的合成周期短、組成成分均勻。但在制備過程中由于沉淀劑的加入會使局部濃度過高，產(chǎn)生團聚或組成不夠均勻，并且殘留的Zn²⁺、Mg²⁺等離子難以析出，大大影響微波介質(zhì)陶瓷的介電性能。

（6）微乳液法

微乳液是將反應物溶液在油類相、表面活性劑或助表面活性劑的作用下形成熱力學穩(wěn)定、各相同性、外觀透明或半透明的分散體系。其中每個被表面活化劑和油類相包裹的液珠都是一個反應微胞團，然后將生成的納米顆粒從乳狀液中分離、清洗、干燥后即可得到細小均勻的粉體。

微乳液法可以制備出納米級的陶瓷粉體，并且粉體大小和形態(tài)受表面活性劑的種類和水核尺寸的影響。采用該法能有效降低粉體的合成溫度和陶瓷燒結溫度，同時材料的微波介電性能變化不大。但由于要使均勻分散在連續(xù)油相中的水相維持熱力學穩(wěn)定，導致該法工藝比較復雜，限制了其應用。

2、微波介質(zhì)陶瓷燒結技術

（1）常壓固相燒結技術

常壓固相燒結是指在大氣壓下燒結坯體的過程，又因在燒結過程中無需額外施加壓力，故又稱無壓固相燒結。常壓固相燒結是一種最常用的燒結方法，具有簡便易行、制備成本低廉、使用范圍廣等特點。

常壓固相燒結時，燒結溫度往往對燒結過程起著決定性的作用，燒結溫度越高，固相擴散越快，燒結速度將得到提升。但燒結溫度過高，可能會導致固相組織粗大，致密性降低，影響其微波性能。

（2）壓力燒結

壓力燒結是指在加熱燒結時對燒結體施加一定的壓力以促進致密化的燒結方法。加壓燒結是基于無壓燒結發(fā)展而來，與無壓燒結技術相比，壓力燒結技術具有燒結溫度低、晶粒細小等特點，且在非氧化物陶瓷領域具有很大的發(fā)展空間。熱等靜壓燒結能夠改變功能陶瓷的組織結構，從而影響其介電性能，但目前在介質(zhì)陶瓷領域應用較少。

（3）微波燒結

在微波燒結過程中，特殊波段的微波可直接與材料物質(zhì)粒子（分子、離子）相互作用，與材料的基本細微結構耦合產(chǎn)生熱量從而實現(xiàn)加熱。該方法可以降低燒結溫度，改善顯微組織，并且還是一種對環(huán)境友好的方法。

相比傳統(tǒng)固相燒結，微波燒結具有加熱速度快、溫度場均勻、燒結時間短、高效節(jié)能等優(yōu)點，能顯著改善材料的顯微組織，有利于微波介電性能的提高。但由于微波介質(zhì)陶瓷通常是微波透明材料，難以吸收微波，導致初期加熱困難；此外，加熱爐腔內(nèi)不均勻的電磁場分布可能會使材料出現(xiàn)局部熱失控導致其開裂。

（4）放電等離子燒結

放電等離子燒結（SPS）通過承壓導電模具加上可控脈沖電流對粉體進行燒結。該技術利用體加熱和表面活化實現(xiàn)材料的超快速致密化燒結，且所得燒結體晶粒均勻，致密度高，可廣泛用于磁性材料、功能梯度材料、納米陶瓷、纖維增強陶瓷和金屬間化合物等一系列新型材料的燒結。

相比于傳統(tǒng)方法，等離子燒結在保持高溫高速的同時，能夠有效地抑制陶瓷晶粒的生長。但是其過快的升溫速率有可能導致樣品開裂，影響坯體的燒結。

（5）反應燒結

反應燒結是指在添加物的作用下發(fā)生化學反應，同時進行燒結的方法。在此過程中，原材料不需要經(jīng)過煅燒和球磨，而能夠直接被壓制和燒結，是獲得高密度陶瓷的有效方法。與傳統(tǒng)固相法相比，反應燒結在保持陶瓷介電性能不變的同時，仍具有工藝簡單、節(jié)約能源等優(yōu)點，在這一領域是一種非常有潛力的方法。

（6）燒結助劑

對于難以燒結致密或要求低溫燒結的陶瓷體系，通常需要添加低熔點的氧化物或玻璃相等燒結助劑。普遍認為，在燒結過程中燒結助劑在顆粒之間形成液相，加速了傳質(zhì)，進而促進燒結。常用作燒結助劑的添加劑有低熔點氧化物（如B₂O₃、Bi₂O₃、V₂O₅、CuO、ZnO），低熔點氟化物（如LiF、MgF₂、CaF₂），低熔點玻璃（如ZnO-B₂O₃、Li₂O-ZnO-B₂O₃、ZnO-B₂O₃-SiO₂）和稀土氧化物（如CeO₂、Nd₂O₃）。

燒結助劑在燒結過程中可以形成液相加速傳質(zhì)，可改善陶瓷的燒結特性。但燒結助劑在燒結后往往在晶界富集，易使晶粒表層產(chǎn)生化學計量比偏離等晶格缺陷，并且還可能與基體反應生成第二相。此外，有些添加劑所含多價態(tài)離子在燒結過程中會產(chǎn)生變價，導致氧空位濃度改變，從而影響材料的微波介電性能。因此，選擇合適的燒結助劑十分重要。

3、小結

微波介質(zhì)陶瓷的粉體制備技術和燒結技術對其微觀結構、顯微組織和介電性能具有重要的影響，因此在不斷探索新型成分體系的同時，還應重視研究其制備技術的研究與應用。

參考資料：

胡杰等.微波介質(zhì)陶瓷制備技術研究進展.南京工程學院

程鵬等.微波介質(zhì)陶瓷制備技術研究進展.南京航空航天大學

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