镁橄榄石型陶瓷复合材料英文文献翻译

尽管已经有报道指出一些电介质材料拥有良好的微波介电性能，但大多介电材料烧结温度在1200℃以上，这限制了其应用在低温共烧陶瓷中的温度。过去已经有一些方法来减少介质陶瓷的烧结温度。在一般情况下，添加具有低熔点玻璃是一种高效，低成本的方法来降低陶瓷致密化温度[11-14]，通过添加各种低熔点、低损耗的玻璃来降低烧成温度[15-20]。王[21]等人研究了锂硼硅酸盐玻璃体系的微波介电性能，Choi等人研究了通过添加Li2O-B2O3-SiO2玻璃可以使CaZrO3–CaTiO3陶瓷的烧结温度降低到875℃[22]。此前有报道称，由于B2O3具有低玻璃化转变温度，硼玻璃更有效的降低烧结温度。
2.实验
Mg2SiO4被用来作为基绝缘材料。按照传统的固态陶瓷路线，高纯度[(MgCO3)4·Mg(OH)2·5H2O]和SiO2[Aldrich公司，99.9％]作为镁橄榄石合成的原材料。这些化学品的剂量比体重并在聚乙烯瓶使用氧化钇稳定氧化锆球球磨在蒸馏水中24小时。泥浆首先在100℃的热风烘箱中烘干，然后在1350℃的高温中煅烧4小时。玻璃粉末由高纯度的氧化物如B2O3、Li2CO3、SiO2（99.9％Aldrich化学公司，美国）合成。这些氧化物按称重剂量比混合，并使用蒸馏水为介质在玛瑙研钵中研磨2小时。将其干燥并以高于熔点的温度在铂金坩埚中融化，淬火并粉化。
表二Mg2SiO4的介电性能和Mg2SiO4+ 15wt% LBS的介电性能
材料
介电常数
介电损耗
τε(ppm/◦C)
1MHz
7GHz
1MHz
7GHz
Mg2SiO4
7.1
5.1
0.002
0.003
114
Mg2SiO4+15wt%LBS
6.9
5.0

0.007
277
表2比较了纯Mg2SiO4和混合了15wt%LBS玻璃的Mg2SiO4分别在1MHz和7GHz下的介电性能。添加了LBS的镁橄榄石在7GHz时介电常数为5.0以及0.7%的低介电损耗。这样低的介电常数εr和介质损耗tan δ在封装应用方面非常有用。由于LBS玻璃的介电常数比纯镁橄榄石的更高，导致混合了15wt%LBS的镁橄榄石的介电常数增加。
关键词：陶瓷；固态反应；介电响应
1.引言
低温共烧陶瓷(LTCC)技术在各种模块和电子封装基板的开发中已经变得至关重要，尤其是在无线和微波应用当中[1]。对于包装材料所需的重要特点是：(1)低介电常数εr＜10(提高信号速度)，(2)低介电损耗或高品质因数(增加选择性)，(3)热导率高(消散产生的热量)，(4)低或匹配的热膨胀系数，(5)低温共振频率系数τf[2-7]。快速进展继续实现高速和电子设备的高频处理，要求电子元件和设备拥有更高的处理速度和高集成度。为了满足这些要求，低温共烧陶瓷材料被用于多层电路板和微波频率段工作的无源器件。在多层结构中，为了配合低熔点和高度进行内部电极如Ag，有必要降低电介质的烧结温度低于950℃[6,8-10]。
鸣谢
作者对Kerala State Council For Science以及Technology and Environment的资助表示感谢。
参考文献
[1] J.H. Park, Y.J. Choi, J.-H.Park, J.-G.Park, Mater. Chem. Phys. 88 (2004)308–312.
图.4表明添加了15wt% LBS玻璃的镁橄榄石的介电常数和损耗因子随着烧结温度的变化。在900℃由于不良的致密度，复合材料的介电常数较低、损失因子较高。而在950℃由于较高的致密度，样品表现出较高的介电常数和较低的损失因子。当温度进一步增加时，由于样品的密度减小，样品的介电常数减小、损耗因子增加。这可能是由于玻璃在高温下脱水导致空隙产生。图.5表明添加了15wt% LBS玻璃的镁橄榄石的收缩率。样品在800℃体积开始收缩，但是当温度超过1000℃时，体积不在收缩。图.6为镁橄榄石和添加了15wt% LBS玻璃的镁橄榄石(在1MHz)的介电常数随温度的变化。从图中看出纯镁橄榄石的介电常数随着温度升高轻微增加并且偏差率约为1.19。而添加了15wt% LBS玻璃的镁橄榄石的介电常数在一定温度范围内仍然保持恒定，因此有利于基板的应用。
烧结样品的密度测定采用Archimedes方法。该粉末样品的晶体结构，使用X射线衍射图谱(铜的Kα辐射，飞利浦X -射线衍射仪)进行研究。烧结样品在低于烧结温度25℃的温度下腐蚀30min并在扫描电子显微镜((SEM,JEOL-JSM 5600LV, Tokyo Japan))记录其表面形貌。对于低频率(1MHz)介电测量，通过离子电极将银均匀镀在圆片样品表面，使用LCR仪表测量(日置3532-50LCRHiTESTER)。在低频率(1MHz)下介电常数(τε)的温度变化也需要测量。在微波频率范围内利用微波谐振腔微扰技术使用HP8510C矢量网络分析仪对样品的介电性能进行测量。将矩形条状纯镁橄榄石和镁橄榄石玻璃引进到一个合适的虹膜X波段腔电场的波腹。利用共振频率、品质因子、样品和空腔体积使用下列公式可计算出样品的介电常数和介电损耗。
将Mg2SiO4和玻璃粉末以水为介质混合成厚泥浆。添加0.1%聚乙烯醇（分子量22,000，BDH实验室供应商％，英国4wt％的聚乙烯醇溶液）粘结剂，然后研磨。然后干燥，使用合适的模具施加100MPa压强，制成圆片(直径14mm，厚1mm)用于低频率测量，制成矩形条状(25mm×3mm×1mm)用于微波频率测量。在烧结温度达到950℃-1500℃之前，将压片在600℃的温度中煅烧30min以便除去粘结剂。对从0.5-20wt%不同含量的镁橄榄石玻璃详细研究。
镁橄榄石型陶瓷复合材料在微波和毫米波通信方面的基板应用
摘要
镁橄榄石(Mg2SiO4)陶瓷复合氧化物合成路线。锂硼硅酸盐(LBS)玻璃添加镁橄榄石烧结温度和微波介质性能的影响进行了研究。通过X射线衍射和扫描电镜研究了晶体结构和复相陶瓷的微观结构。并且测定了在无线电和微波频率范围内烧结样品的介电性能。通过添加15wt%的锂硼硅酸盐使烧结温度从1500℃降低到950℃，而没有明显影响样品的介电性能。结果表明，添加适量的锂硼硅酸盐可使镁橄榄石成为一种低温共烧陶瓷材料。
(1)
(2)
(3)
图.1(a)纯Mg2SiO4的X射线衍射图，(b)15wt%LBS与Mg2SiO4在950℃下烧结(铜的Kα辐射)。
3.结果与讨论
图1比较了纯Mg2SiO4和添加了15wt%LBS的Mg2SiO4复相玻璃。Mg2SiO4的粉末衍射图样索引是基于ICDD档案卡no.34-0189。几乎所有的可识别的反射峰可以索引到Mg2SiO4正交结构晶格参数a=5.976(2)，b = 10.203(2)，c = 4.756(1)，这与标准数据文件时一致的。尽管大量的LBS玻璃（15wt％）加入到镁橄榄石，没有额外的峰观察。该样品是在950℃下烧结2h，以2.5◦C / min的速度冷却。因此，得出结论在烧结过程中LBS玻璃作为液相存在，冷却后具有非晶体特性。添加了助剂的Mg2SiO4的理论密度(D)使用公式[15]计算。
最近Ohsato等人[24]报告镁橄榄石是一种低介电常数，低损耗陶瓷。同时镁橄榄石（Mg2SiO4）属于橄榄石晶体，这是一种重要的硅酸盐[25]。一般来说硅酸盐含Si，O和一个或多个金属材料，如Al, Ba, Be,Ca, Fe, Mg,Mn, K, Na orZr.镁橄榄石属于分组nesosilicates（单四面体），其结构产生强分子力和离子接近，因此与其他化学性质相似硅酸盐相比具有较高的包装密度，折射率和硬度。由于其低的导电[26]、低介电常数、化学稳定性好、耐火度、甚至在高温下具有很好的绝缘性能，对电子镁橄榄石可作为理想的基体材料。然而，Mg2SiO4烧结温度约为1500℃，这对于多层微波元件太高而难以适应。在本文中我们研究了烧结助剂对镁橄榄石陶瓷的致密度、烧结温度和介电性能的影响。
其中W1和W2是Mg2SiO4和致密度D1和致密度D2的玻璃各自的重量百分比。
图.2扫描电镜图像(a)纯Mg2SiO4，(b)Mg2SiO4+1wt%LBS，(c)Mg2SiO4+5wt%LBS，(d)Mg2SiO4+15wt% LBS
图.2(a)为纯镁橄榄石在1500℃下烧结成的扫描电镜图像，微观结构表明致密度不高。图.2(b)，(c)和(d)为分别添加了1wt%、5wt%、和15wt%LBS玻璃的镁橄榄石的扫描电镜图像，微观结构显示致密度增强，表明镁橄榄石陶瓷玻璃湿润能力良好，液相均匀分布在晶界。图.2(d)明确显示在陶瓷玻璃复合材料的液相烧结机制，而陶瓷与玻璃无反应。
本文研究了添加剂对烧结温度的影响以及镁橄榄石的介电性能。在1MHz下添加了0.5wt% LBS的样品提高了损害因子到0.0004。添加了15wt% LBS的样品降低烧结温度从1500℃至950℃，介电性能没有明显影响。镁橄榄石与15wt% LBS玻璃混合，烧结温度950℃时，在1MHz下介电常数εr= 6.9，损耗因子tanδ= 0.003，在7GHz下介电常数εr= 5.0，损耗因子tanδ= 0.007。结果表明，添加适量的LBS玻璃的镁橄榄石是一种适用于低温共烧陶瓷的材料。在电子封装应用方面，微波频率范围内极低的介电常数εr=5.0有利于增加信号传输速度。
图.3为添加了15wt% LBS的Mg2SiO4在900-1000℃烧结时的致密度分布。该Mg2SiO4的理论密度为3.24g/cm3。所有这些都低于950◦C烧结的样品显示出较低的致密度，因此这些成分的玻璃相太粘而不能穿透Mg2SiO4颗粒之间的空隙。结果发现，样品在950℃的烧结温度是达到最大致密度2.8g/cm3，此后致密度减小。据认为，LBS玻璃通过在950℃创造一个大液相对复合材料的致密化起着至关重要的作用。当温度在950℃以上时致密度降低可能是由于玻璃在高温下脱水导致气孔产生。
图.3Mg2SiO4+15wt%LBS随温度变化时的密度
表一混合了不同量的LBS的Mg2SiO4的烧结温度、表面密度和介电性能
添加LBS的比重
烧结温度(℃)
表面密度(g/cm3)
介电性能(1MHz)
εr
tanδ
0
1500
3.04
7.1
0.002
0.5
1500
3.22
7.4
0.0004
1
1350
3.18
图.4.Mg2SiO4+15wt%LBS的介电常数和介电损耗随着烧结温度的变化
图.5.Mg2SiO4+15wt%LBS的收缩曲线
图.6.在1MHz下Mg2SiO4与Mg2SiO4+15wt%LBS随着温度不同时的介电常数的变化
图.7.Mg2SiO4+15wt%LBS涂20wt%Ag的X射线衍射图
4.结论
7.3
0.001
5
1300
3.00
7.00
0.002
10
1000
2.91
6.92
0.003
15
950
2.88
6.90
0.003
20
950
2.80
6.75
0.004
表1给出了混合了不同wt% LBS玻璃的镁橄榄石的优化烧结温度、表面致密度和介电性能。随着玻璃含量的增加，烧结温度不断降低，这在玻璃含量大于1%时变得更明显。与镁橄榄石(3.04g/cm3)相比LBS玻璃有更低的表面密度(2.4g/cm3)。因此，玻璃添加剂预计产量复合材料的比镁橄榄石的密度低。然而从表中很清楚看出表面密度随着少量(≤1wt%)的玻璃添加剂增加而增加，这是由于复合材料的气孔抵消了玻璃添加剂从而使致密度降低[16]。此外只有当添加玻璃的量较大时样品的致密度才减小，其中从中SEM(图.2(c)和(d))的结晶边界可以很清楚地看见玻璃相。由于间隙的消除和样品致密化，当添加剂的量较小时，可以发现样品介电常数增加、介电损耗减小。在本研究中与镁橄榄石相比，LBS在1MHz频率下介电常数更低(6.5)介电损耗更高(0.035)。当玻璃含量高于1wt%时，复合材料的介电常数减小、损耗因子增加。
为了研究添加了Ag和LBS的陶瓷的反应活性，将20wt%的Ag与Mg2SiO4以及15wt% LBS混合。图.7给出了该混合物的X射线衍射图，银粉末衍射图是基于索引ICDD档案卡上No. 4-783。可以指出的是Ag的一些强峰与镁橄榄石的X射线衍射图相一致。从图中可以明显看出Ag与复相陶瓷不发生反应，这是低温共烧陶瓷的一个要求。