摘 要

本文的研究对象为Mg₂TiO₄基微波介质陶瓷，主要研究的是它的制备方法及对其进行Mg、Ti位掺杂后性能的改变。同为MgO-TiO₂系列，正钛酸镁Mg₂TiO₄有着与偏钛酸镁MgTiO₃ 相似的微波介电性能，它们的谐振频率f₀在10 GHz左右，介电损耗低，而且原料来源广泛，成本低廉。主要内容如下：

采用传统的固相反应合成法制备Mg、Ti位掺杂的Mg₂TiO₄基微波介质陶瓷，研究烧结工艺如烧结温度、保温时间等对其烧结行为影响，确定合理的制备工艺。研究Mn² 、Zn² 、Sn² 掺杂对Mg₂TiO₄陶瓷组成、结构及微波介电性能的影响。实验结果表明，最佳预烧条件为1175℃4h。烧结之后，除了掺杂Mn² 会有少量MgTiO₃ 相形成之外，另外两种掺杂基本只有单一的Mg₂TiO₄相形成。

Mg位掺杂时掺杂量x对微波介电性能会有影响，基本上是x越低，介电常数越低，品质因数越高，谐振频率温度系数越高，但由于掺杂物质的不同影响会有所不同。掺杂Mn² 时，x值影响较大，而烧结温度几乎没有影响。在最佳烧结温度1400℃下，当x=0.03时，有较好的微波介电性能：εr=14.313，Q×f=68900GHz，τƒ=-52.67ppm/℃。掺杂Zn² 时，x值影响减小，但烧结温度影响增加，在最佳烧结温度1325℃，x=0.07时，有较好的微波介电性能：εr=14.577，Q×f=85240GHz，τƒ=-53.89ppm/℃。

Ti位掺杂时y值变化对其微波介电性能的影响是双向的，y值的增加会降低介电常数，还可以提高品质因数，但是也会使谐振频率温度系数变得更负。实验表明，在最佳烧结温度1375℃下，当y=0.05时，微波介电性能为：εr=13.862，Q×f=85870GHz，τƒ=-53.41ppm/℃；而当y=0.3时，微波介电性能为：εr=12.257，Q×f=94400GHz，τƒ=-58.98ppm/℃。

关键词：Mg₂TiO₄，微波介质陶瓷，掺杂，微波介电性能

Abstract

The object of this study is microwave dielectric ceramics based on Mg₂TiO₄, the main research is its preparation method and the change of the performance after doping at Mg, Ti site. The same as the MgO-TiO₂ series, Mg₂TiO₄ has a similar microwave dielectric properties with MgTiO₃, their resonance frequency f₀ is at around 10 GHz, low dielectric loss, a wide range of sources of raw materials and low cost . The main contents are as follows:

Using traditional solid state reaction to prepare the microwave dielectric ceramics based on Mg₂TiO₄ doped at Mg, Ti site, to study the effect of sintering process, such as sintering temperature and holding time on the sintering behavior, to determine the reasonable preparation process. Studying the effects of Mn² , Zn² and Sn² doping on the composition, structure and microwave dielectric properties of Mg₂TiO₄ ceramics. The results showed that the optimum pre firing condition were 1175 ℃ for 4h. After sintering, In addition to the doping Mn² will have a small amount of MgTiO₃ phase formation, the addition of two kinds of doping basically only a single Mg₂TiO₄ phase formation.

When it’s doped at Mg, x value will basically affect the microwave dielectric properties, the lower the X, the lower the dielectric constant, the higher the quality factor, the higher the temperature coefficient of the resonant frequency. But due to material doped different, the effects will vary. When doped with Mn² , the x value has a great influence on the sintering temperature, and the sintering temperature has little effect. When x= 0.03, the ceramics sintered at 1400℃for 4 hours presented excellent microwave dielectric properties: εr=14.313，Q×f=68900GHz，τƒ=-52.67ppm/℃. When doped with Zn² , the value of x will reduce the impact, but the effect of the sintering temperature increases, at the best sintering temperature of 1325℃, x=0.07, there is a good microwave dielectric properties: εr=14.577，Q×f=85240GHz，τƒ=-53.89ppm/℃.

When it’s doped at Ti, The influence of the change of y value on the microwave dielectric properties is bidirectional. The increase of y value will reduce the dielectric constant, can improve the quality factor, but also make the temperature coefficient of the resonant frequency become more negative. Experiment shows that when the addition was 0.05, the ceramics sintered at 1400℃for 4 hours presented excellent microwave dielectric properties: εr=13.862，Q×f=85870GHz，τƒ=-53.41ppm/℃. When the addition was 0.05, there is microwave dielectric properties: εr=12.257，Q×f=94400GHz，τƒ=-58.98ppm/℃.

Key Words: Mg₂TiO₄, Microwave dielectric ceramics, doping, microwave dielectric properties

目录

摘 要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1微波介质陶瓷简介 1

1.2微波介质陶瓷理论及发展 2

1.2.1微波介质陶瓷的性能参数及其基本要求 2

1.2.2微波介质陶瓷介电性能的影响因素 2

1.2.3微波介质陶瓷的应用 4

1.2.4微波介质陶瓷的发展历史及研究现状 4

1.3 MgO-TiO₂ 体系的研究方法与研究进展 5

1.4 本论文研究的目的、意义与主要内容 6

第二章 微波介质陶瓷的制备及其性能表征 7

2.1 实验原料及实验器材 7

2.2主要工艺流程 9

2.3材料结构与性能表征 10

第三章 Mg₂TiO₄基微波介质陶瓷性能分析 12

3.1 Mg位掺杂的Mg₂TiO₄基微波介质陶瓷 12

3.1.1（Mg_1-xMn_x）₂TiO₄ 12

3.1.1.1 物相分析 12

3.1.1.2表观密度测试 14

3.1.1.3 微波介电性能分析 14

3.1.2 （Mg_1-xZn_x）₂TiO₄ 15

3.1.2.1 物相分析 15

3.1.2.2 表观密度测试 16

3.1.2.3 微波介电性能分析 17

3.2 Ti位掺杂的Mg₂TiO₄基微波介质陶瓷 18

3.2.1 Mg₂(Ti_1-ySn_y)O₄ 18

3.2.1.1 物相分析 18

3.2.1.2表观密度分析 19

3.2.1.3微波介电性能分析 19

第四章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第 1 章 绪论

1.1微波介质陶瓷简介

微波介质陶瓷是最近几十年才开始被人们广泛研究的一种新型的功能电子陶瓷，主要可以用来制作电介质谐振器、天线、电容、微电路的衬底和滤波器等^[1-3]应用于微波频段的元器件，这类元器件的主要作用是帮助传输和接受特定频率的信号、屏蔽多余的信号和宽带、提高信号质量^[4-6]。因此无论是军事还是民用，只要涉及微波通讯很难离开它。

而且随着现代科技的迅速发展，现代微波通信用户数量可以说是与日俱增，从现在的手机普及程度就可以看出它的增长是很可怕的，而这仅仅只是诸多现代通信方式中的一种而已。这种爆棚式的增长情况自然也就造成这些系统波段资源分配特别紧张，因此拓宽频段以满足更多用户的需求是每个国家都必须要解决的问题。比如，在很多年前第二代移动通信系统工作统频率就已经从GSM（900MHZ）增加到了1800MHz，而第三代公众移动通信工作频段甚至达到了2000MHz，不仅如此，人们在这条路上只会越走越远，我国早已进入了第四代，第五代也在向着我们招手^[7]。与之对应的是介质谐振器等元器件的尺寸与其介电常数和中心频率是一种反向的关系，所以这类元器件介电常数或工作频率的增加能大大减小人们所设计微波器件的尺寸。所以时代的潮流及所有用户的期望也越发刺激着移动电话和卫星通信系统等向着小型化方向发展，这也让具有更高微波介电性能的介质材料越来越受到研究者的关注。而且电介质谐振器早就已经取代电容谐振器应用在微波频段当中，而其他微波介质陶瓷制备而来的元器件在实际的应用当中也越来越重要。主要原因就是与传统中应用的微波电容谐振器相比较，电介质谐振器等由微波介质陶瓷制备而成的元器件成本相对低廉、尺寸较小、质轻、稳定性和效率相对更高、可调性更好、更方便使用、有更高的品质因数。而作为元器件最为基础的关键材料微波介质陶瓷，在某种程度上几乎可以满足这类元器件所需要的所有条件，单就这一点就足以看出微波介质陶瓷对于现代通信技术发展的重要性是无可替代的。

不过无论从哪个方面都可以看出现代通信技术的不断进步对于电介质谐振器这类微波频段应用的元器件的性能要求都将会变得越来越苛刻，在介电常数（ε_r）合适的条件下，还需要尽可能满足高品质因数（Q）以及尽可能接近于零的谐振频率温度系数τ_f。而为了满足当前和未来科学的发展，改进研究新的电介质材料自然是无法避免的，这也是目前微波介质陶瓷的主要发展方向，这同样也是本次试验的目的。

1.2微波介质陶瓷理论及发展

1.2.1微波介质陶瓷的性能参数及其基本要求

由于介质谐振器这类的微波元器件主要是应用于微波这个频段，因而无论是在电磁波能量的吸收亦或是电磁波能量储存的角度，我们都希望这类元器件的尺寸越小越好。而且对于微波通讯设备，谐振器这类元器件的小型化和高度集成化对其在实际应用这方面有很大的帮助，相对应的人们对作为电介质材料的微波介质陶瓷的性能也就提出了非常高的要求。而人们对于一种微波介质陶瓷材料的微波介电性能的评判主要看的是介电常数ε_r、品质因数Q以及谐振频率温度系数τ_f这三个方面。