微波介質陶瓷是指應用于微波頻段電路中作為介質材料并完成介質隔離、介質波導以及介質諧振等一系列電路功能的陶瓷材料，具有低介電常數、高品質因數和近零諧振頻率溫度系數的特點，在衛星通信、移動通訊、軍用雷達及電子計算機等領域得到廣泛應用。由于微波介質陶瓷逐漸向小型化、低成本化、集成化和多功能化方向發展，對微波介質陶瓷元器件的制備工藝提出了新挑戰。

當前，制備微波介質陶瓷元件的主要技術有高溫共燒陶瓷（HTCC）以及低溫共燒陶瓷（LTCC）兩種共燒技術為主。其中HTCC技術因燒成溫度高，必須采用鎢、鉬、錳等難熔金屬材料，但這些材料導電率較低，會造成信號延遲等缺陷，而LTCC技術的燒成溫度低，能夠采用金、銀、銅等低熔點材料作為導電材料，從而使微波介電陶瓷實現高頻低損耗和低介電常數等性能，非常適合應用于射頻、微波和毫米波器件中，但傳統的微波介質陶瓷材料體系包括Al₂O₃、BaO-TiO₂、(Zr，Sn)TiO₄、ZnAl₂O₄等體系，燒結溫度較高（1300℃以上），要實現低溫共燒制備微波介質陶瓷還需要一些措施。

低溫共燒技術步驟

一、液相促進燒結法

液相促進燒結法是微波介質陶瓷實現低溫共燒的主要方式，主要是在燒結過程中利用燒結助劑提供液相，從而濕潤陶瓷粉體，使固相顆粒的尖凸部在液相中溶解，加速粉料顆粒的擴散，并通過液相表面張力作用產生顆粒粘結，使溶解的小晶粒逐漸在大顆粒表面沉積，達到更緊密的空間堆積，進而加快反應進程，降低陶瓷的致密化燒結溫度。

燒結助劑促進燒結的機理

目前，常用的燒結助劑包括：

1、氧化物燒結助劑

氧化物燒結助劑包括B₂O₃、V₂O₅、ZrO?、CaO、BaO等非金屬氧化物助劑以及Bi₂O₃、ZnO、CuO、MgO等金屬氧化物助劑。一般來說，少量添加氧化物助劑即可顯著減低微波介質陶瓷的燒結溫度，是實現微波介質陶瓷低溫共燒的最有效、成本最低的一種方式。

2、氟化物燒結助劑

氟化物燒結助劑主要有LiF和CaF，其中 LiF的熔點較低，在燒結過程中易熔化形成液相，顯著增強了晶界物質輸運。因此，LiF也被認為是一種廉價且最有效的燒結添加劑，但存在易揮發、毒性強、只適用于特定體系等缺點。

3、玻璃燒結助劑

玻璃燒結助劑以硼酸鹽玻璃為主，也可以添加氧化物玻璃起到降溫作用，該類燒結助劑適用于較多體系，使微波介電陶瓷能在低燒結溫度下實現合理的致密化程度以及合適的介電性能。

4、復合燒結助劑

在實際生產中，單一助劑往往不能同時滿足其燒結和機電性能的要求，一般情況下，添加單一助劑很難同時實現微波介電性能優化和燒結特性的提高。而采用多種不同助劑組成的復合添加劑要比單獨使用其中一種助劑更能有效兼顧微波介質陶瓷的介電性能和燒結性能。

二、濕化學法制取表面活性高的粉體

濕化學法制備粉體材料是在水或者水溶液中利用化學反應制備均一穩定的前驅體，經后續處理后得到預期粉體的方法，由于濕化學法可實現分子/原子尺度水平上的混合，因此可制備出粒度分布窄、形貌規整、反應活性較高的陶瓷粉末，在一定程度上可降低微波陶瓷的燒結溫度。目前用于制備微波介質陶瓷的濕化學法包括溶膠凝膠法、共沉淀法、水熱合成法。

1、溶膠凝膠法

溶膠-凝膠法是化學制備方法中的典型代表，它以高化學活性的含材料成分的化合物前驅體為原料，在液相下將這些原料均勻混合，并進行一系列的水解、聚合反應，在溶液中形成穩定的透明溶膠液體系，溶膠經陳化后，膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網絡結構的凝膠，凝膠再經過干燥后脫去其間的溶劑，成為一種多孔空間結構的干凝膠，最后在通過燒結固化制備出所需要的粉體材料。

溶膠凝膠法步驟

與傳統固相反應法相比，溶膠-凝膠法制備工藝簡單、設備低廉、反應過程易于控制、組分均勻，能夠制備出較高的表面活性納米粉體，在一定程度上降低陶瓷的燒結溫度。但也仍有很多不足之處，如工藝過程要求高、原料醇鹽成本高，難以進行規模化生產等。

2、共沉淀法

共沉淀法是在含有各種組分元素的可溶性金屬鹽類配制成的溶液鋰，加入沉淀劑，使得各種組分元素的金屬離子共同形成均勻的沉淀，再通過調節溶液的濃度和pH值等來控制形成沉淀粉末的性能，最后將沉淀物煅燒，得到各種組分元素的氧化物的均勻混合體。

這種方法的產物活性高，工藝操作簡單，利于大規模工業生產，是制備含有兩種或兩種以上金屬元素復合氧化物超細粉體的重要方法，但無法適用于Zn、Mg和Sn等難以以氫氧化物沉淀的離子，同時產物中團聚現象比較嚴重。

3、水熱合成法

水熱法是近年來發展起來的最適合于規模生產的化學陶瓷粉末制備方法。它是以水溶液為介質，在密封的壓力容器中進行的，粉末的形成經歷了溶解到結晶的過程。這種方法無需昂貴的醇鹽，很多材料在低溫下就可以直接合成，避免由于預燒所造成的晶粒長大、缺陷和雜質侵入，制備的粉末顆粒團聚較輕，粒度小且分布均勻,易得到致密的陶瓷。但水熱法目前主要用于合成簡單的氧化物粉體，且對陶瓷的介電性能降低較多，在制備微波介電陶瓷的原料上，具有較大的局限性。

水熱合成法反應釜結構

三、固有燒結溫度較低的微波介質陶瓷材料

普通陶瓷粉體（如鋁酸鋅、氧化鋁等）制備微波介質之所以需要高溫燒結，原因在于其晶格能較高、晶體結構穩定，質點擴散需要較高的活性，即燒結激活能大。

不同燒結溫度下鋁酸鋅（ZnAl₂O₄）的SEM 圖：(a)1500℃,(b)1550℃,(d)1600℃

若直接從原料端入手，采用固有燒結溫度較低的微波介質陶瓷，則可以防止添加大量的燒結助劑而犧牲微波介電性能，并且也無需使用復雜的濕化學合成法，簡化了微波介質陶瓷的制作步驟。近年來，研究人員對于固有燒結溫度較低的微波介質陶瓷的研究主要集中在鎢酸鹽、磷酸鹽、碲酸鹽、鉬酸鹽、釩酸鹽、鈮酸鹽和硼酸鹽等體系，這些介質陶瓷體系本有望在較低溫度下實現有效的燒結，同時保持微波性能。

固相燒結示意圖

總結

隨著對器件性能要求越來越嚴格，低溫共燒陶瓷技術已經成為了制備微波介電陶瓷的主流技術，其中通過添加燒結助劑是目前實現低溫共燒的最成熟且最易實現工業化的途徑，但存在降低微波介質陶瓷介電性能的可能。采用濕化學法可以制備出活性較高的陶瓷粉末，有效降低燒結溫度，但也存在納米粉體易產生團聚、難以實現工業化的問題。為了滿足工業化需求的同時保持介電性能的穩定，探索固有燒結溫度較低的新型陶瓷粉體至關重要。

參考文獻：

1、呂學鵬,鄭勇,周斌等.微波介質陶瓷低溫共燒技術的研究進展.材料導報；

2、張路路,于宏林,宋濤等.微波介質陶瓷低溫共燒研究現狀.現代技術陶瓷；

3、王曉藝,王希,王俊等.V₂O₅-Al₂O₃助燒劑對低溫燒結Li-Zn微波鐵氧體性能的影響.物理學報.

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