基于冷烧结技术的钼基钨基微波介质陶瓷的烧结机理及结构-性能关系研究

As key materials of microwave devices, microwave dielectric ceramics have been widely used in wireless communication technology and attracted much attention. In 2016, a new sintering technique named cold sintering process was proposed, which could sinter microwave dielectric ceramics at an extremely low temperature (≤300°C). It provides an energy and time saving path for the sintering of ceramics. However, the cold sintering process is in the early stage, and the sintering mechanism is not clear at this moment. The reported microwave dielectric properties of cold sintered microwave dielectric ceramics can not meet the requirement of wireless communication system and need to be improved. The factors controlling the microwave dielectric properties remain unclear. This proposal is focused on the development of molybdate and tungstate based microwave dielectric ceramics with low sintering temperatures (120-300°C) and excellent microwave dielectric properties using cold sintering process. The sintering mechanism will be studied based on the sintering models of liquid phase sintering and hot press sintering. The relationship of microwave dielectric properties and structures will be investigated by Raman and infrared spectroscopy and transmission electron microscopy from the point of intrinsic and extrinsic factors, which reveals the underlying mechanism of microwave dielectric properties of cold sintered ceramics and provides a pathway to optimize the microwave dielectric properties. The implementation of this project will open up new microwave dielectric ceramic designs, and provide the scientific basis for the development of cold sintered ceramics.

微波介质陶瓷是微波元器件的核心材料，广泛应用于无线通信系统，已成为国内外的研究热点之一。2016年，冷烧结技术的提出实现了多种微波介质陶瓷的超低温烧结（≤300°C），具有低温、耗能低、耗时短等特点。但是，冷烧结技术的研究时间尚短，烧结机理还不完善，报道的冷烧结陶瓷体系的微波介电性能有待改善，影响其微波介电性能的因素还不明确。本项目基于冷烧结技术，以钼基、钨基微波介质陶瓷为出发点，探索可在120-300°C冷烧结的微波介电性能优异的陶瓷材料的工艺方法，结合液相烧结、热压烧结模型构建冷烧结模型，明确烧结机理。从微波介电性能的本征和非本征贡献出发，结合拉曼、红外光谱和透射电子显微镜技术，在分子和原子尺度上揭示影响其微波介电性能的机制，为进一步优化工艺参数和材料体系提供指导。本项目将为低温烧结微波介质陶瓷的开发提供新的思路，为基于冷烧结技术的新型陶瓷的研究提供科学依据和理论指导。

5G、6G通信技术的不断发展对低温烧结微波介质陶瓷提出了更高要求。冷烧结技术可以实现微波介质陶瓷超低温烧结，获得了广泛关注。然而，冷烧结于2016年提出，研究时间尚短，还有很多问题亟待解决，需要进一步完善烧结机制，提升冷烧结陶瓷的微波介电性能。本项目基于冷烧结技术，以钼基、钨基微波介质陶瓷为出发点，研究可在120-300℃冷烧结微波介电性能优异的陶瓷材料制备方法，明确烧结机理，揭示微波介电性能的调控机制。本项目进展顺利，培养了硕士研究生4人、博士研究生4人，已发表学术论文12篇，授权发明专利1项，取得的重要进展如下：1）采用冷烧结在120℃实现了Li2MoO4-(LiBi)0.5MoO4陶瓷致密烧结，TCF可调节为0.7ppm/℃。该材料能在冷烧结条件下与银、铝电极材料兼容共烧。此外，拉曼和红外分析表明了微波介电性能的主要贡献来自于外部振动模式；2）采用冷烧结技术制备了致密且具有不同晶粒大小Na2WO4陶瓷，探讨了非本征因素对性能的影响规律，发现晶粒尺寸的增加会提升其Q×f值；3）研究了结晶相对Na2WO4冷烧结过程的影响，提出结晶相分解-重结晶-分解的烧结机制。通过优化参数，在300℃热处理获得了微波介电性能优异的Na2WO4陶瓷，相对介电常数为5.7，Q×f为70,000GHz；4）提出了冷烧结辅助两步烧结技术，实现微波介电性能优异TiO2陶瓷的致密烧结（相对密度>98%）；5）利用有限元模型研究冷烧结过程，发现颗粒界面的局部应力高于施加的外力，促进了传质以及致密化烧结；6）研究了非化学计量比[(Na0.5Bi0.5)0.5Ca0.5]MoO4陶瓷烧结特性以及性能的影响因素，发现外部振动模式是影响微波介电性能的主要机制。最优样品相对介电常数为20-21，Q×f为31,400-33,000GHz，|TCF|≈2ppm/℃；7）采用改进的工艺制备出Ag2Mo2O7-Ag0.5Bi0.5MoO4陶瓷，性能最优样品相对介电常数为25.7，Q×f为16,100GHz，TCF为-0.6ppm/℃，且实现了与低熔点铝电极兼容共烧。本项目的研究拓展了冷烧结在微波介质陶瓷领域的应用，对低温烧结技术、微波介质材料以及微波元器件的开发提供重要指导。