В этой статье термостойкая микроволновая композитная керамика Y3MgAl3SibO12-TiO2 была впервые изготовлена методом высокотемпературной твердофазной реакции. Подробно исследовано влияние температуры спекания, микроструктуры на микроволновые диэлектрические свойства Y3MgAl3SiO12 при легировании TiO2. Добавление TiO2 снизило температуру спекания керамики и улучшило распределение зерен по размерам. Отрицательный температурный коэффициент резонансной частоты (τf = −32 ppm/°C) Y3MgAl3SiO12 был доведен до близкого к нулю значения. Керамика 0,8Y3MgAl3SiO12-0,2TiO2, спеченная при 1475 °C в течение 6 ч, достигла оптимальных диэлектрических свойств в микроволновом диапазоне: εr = 12,2, Q × f = 21050 ГГц, τf = +5,2 ppm/°C, что свидетельствует потенциальный кандидат на диэлектрическую патч-антенну и подложку.
Введение
С развитием Интернета вещей, Интернета+, связи 5G и многоканальных коммуникационных технологий новые коммуникационные технологии требуют более высокой скорости передачи и более высокого качества сигналов, что приводит к срочной разработке новых микроволновых диэлектрических керамических материалов [1–3]. В частности, керамические материалы с низкой диэлектрической проницаемостью (εr < 15), более высокой добротностью (Q × f > 10000 ГГц) и близким к нулю температурным коэффициентом резонансной частоты (τf = ± 10 ppm/°C) являются предметом исследований. Силикатная керамика и композиты, в том числе виллемит [4], пироксен [5], кордиерит [6], Mg2SiO4–CaTiO3 [7] и муллит-SiC [8], представляют собой ряд важных и перспективных микроволновых диэлектрических керамик для связи 5G. Сонг и др. впервые сообщил о микроволновых диэлектрических свойствах керамики Y3MgAl3SiO12 типа чистого фазового граната с εr = 10,1, Q × f = 57 340 ГГц, τf = −32 ppm/°C [9]. Однако τf Y3MgAl3SiO12 отрицательна, а не близка к нулю. Сообщалось, что значение τf виллемита и кордиерита настраивается до нуля при добавлении TiO2 с положительным τf (+460 ppm/°C) [10,11]. Однако для большинства силикатных керамик было трудно настроить τf до нуля либо за счет смешивания конечных элементов с отрицательным и положительным τf, либо за счет образования твердого раствора в результате высокотемпературной твердофазной реакции, например, форстеритовой и муллитовой керамики [12–14]. При этом, чтобы подогнать τf Y3MgAl3SiO12 близко к нулю, для формирования новой композитной керамики был выбран TiO2 с положительным τf. Изучены микроструктурные микроволновые диэлектрические свойства Y3MgAl3SiO12–TiO2 в зависимости от температуры спекания и количества TiO2.
………………
Выводы
Композитную керамику (1-x)Y3MgAl3SiO12-xTiO2 получали методом высокотемпературной твердофазной реакции. Добавление TiO2 снизило и расширило температуру спекания и диапазон композиционной керамики. Рентгенограммы показали, что при добавлении TiO2 основной кристаллической фазой по-прежнему является Y3MgAl3SiO12, а появляются вторые фазы Y2Ti2O7 и TiO2. С увеличением количества TiO2 температура уплотнения и Q×f снижались, а εr и τf увеличивались. Были достигнуты оптимизированные микроволновые диэлектрические свойства керамики YMAST05, спеченной при 1550 °C: εr = 10,7, Q×f = 42,242 ГГц, τf = -25,40 ppm/°C. Керамика YMAST10 Керамика YMAST05 показала оптимизированные микроволновые диэлектрические свойства после спекания при 1525 °C: εr = 11,0, Q×f = 39,929 ГГц, τf = -20,16 ppm/°C. Керамика YMAST15 достигла оптимизированных микроволновых диэлектрических свойств при 1525 °C: εr = 11,3, Q×f = 31,195 ГГц, τf = -10,69 ppm/°C. Керамика YMAST20 достигла оптимизированных микроволновых диэлектрических свойств при 1475 °C: εr = 12,2, Q × f = 21 050 ГГц, τf = +5,2 ppm/°C.