LiF представляет собой низкотемпературный фторид с превосходными микроволновыми диэлектрическими свойствами, однако уплотнение керамики LiF затруднено из-за их низкой поверхностной свободной энергии. В этом исследовании использовался процесс холодного спекания (150 ◦C, 250 МПа, 60 мин) для предварительного уплотнения LiF-керамики до относительной плотности 78 %. Обработки после отжига между 650 ◦C и 800 ◦C привели к значительному росту зерен, что сопровождалось увеличением относительной плотности до 92 %. Микроволновый коэффициент качества (Qf) увеличился с увеличением температуры отжига до максимума 110 800 ГГц при 800 ◦C, что в 1,5 раза выше, чем значение, полученное при обычном спекании (78 800 ГГц), с относительной диэлектрической проницаемостью εr = 8,2 и температурным коэффициентом резонансной частоты τf = –135 ppm/◦C. Такие высокие значения Qf и его совместимость с Ag-электродом позволяют предположить, что LiF холодного спекания имеет большой потенциал в качестве компонента или добавки в керамических составах для низкотемпературного совместного обжига.
Введение
За последние десятилетия, с быстрым развитием беспроводной связи, микроволновая (СВЧ) диэлектрическая керамика широко исследовалась в качестве критических компонентов пассивных микроволновых устройств, таких как подложки, резонаторы и фильтры [1,2]. Кроме того, чтобы удовлетворить требования миниатюризации и многофункциональности современных электронных устройств, технология низкотемпературной керамики с совместным обжигом (LTCC) привлекла большое внимание как научных, так и промышленных заинтересованных сторон. Для применений LTCC температура уплотнения микроволновой диэлектрической керамики должна быть ниже температуры плавления металлических электродов, таких как Ag (~961 ◦C) [3–6]. Температура спекания большинства керамик (>1200 ◦C) явно превышает температуру плавления электродов, что исключает возможность совместного обжига. Наиболее распространенной стратегией снижения температуры спекания является добавление компонента с низкой температурой плавления [4,4,5,6]. К сожалению, это приводит к образованию вторичных фаз с худшими диэлектрическими характеристиками. Следовательно, снижение температуры спекания осуществляется за счет добротности ММ. Альтернативой удовлетворению требований LTCC является поиск диэлектрической керамики с изначально низкой температурой спекания. Среди них были исследованы оксиды на основе лития, такие как Li2Mg3ZnO6, Li2MgGeO4 и Li2WO4, с низкой температурой спекания и хорошими диэлектрическими характеристиками. [7–9] С успехом оксидов на основе лития исследователи расширили поиск новой диэлектрической керамики до фторидов и оксифторидов со многими материалами, демонстрирующими идеальные свойства для приложений СВЧ [10], например.

Фанг и др. сообщили о синтезе фторсодержащей керамики Li5Ti2O6F с превосходными диэлектрическими характеристиками MW (εᵣ = 19,6, Qf = 79 500 ГГц и τf = −29,6 ppm/°C) [11]. LiF широко применялся в качестве эффективной добавки для спекания или флюса во многих керамических рецептурах, но только в 2019 году Lei et al. впервые сообщили о синтезе керамики LiF с помощью обычного спекания и их микроволновых диэлектрических свойствах, εᵣ = 8,02, Qf = 73 880 ГГц и τf = −117,7 ppm/°C [12]. Однако Гейер и соавт. сообщили о гораздо более высоком значении Qf (192 400 ГГц) для монокристаллов LiF [13]. Согласно Lei et al., разница в Qf с монокристаллом возникает в основном из-за сложности уплотнения LiF-керамики, которая остается пористой после обычного спекания [12]. Холодное спекание (ХС) — это новый метод спекания, который сочетает спекание в жидкой фазе и спекание под давлением, чтобы помочь уплотнить материалы при низких температурах [14–16]. Во время CS порошок смешивают с растворителем, а затем аксиально нагружают для достижения уплотнения. Для ускорения процесса уплотнения применяются умеренные температуры (< 200 ◦C). Многие исследования CS показали, что уплотнение обычно происходит в материалах с высокой растворимостью (в основном в воде), таких как NaCl (35,8 г/100 мл), H3BO3 (4,77 г/100 мл), Li2MoO4 (79,5 г/100 мл), и др. [17–20]. Хотя механизм CS остается спорным, широко признано, что процессы растворения и осаждения во время CS играют жизненно важную роль в массопереносе и уплотнении [17-19]. Более того, недавние исследования по синтезу ватерита и гипсовой керамики с относительно низкой растворимостью (~0,2 г/100 мл) расширили потенциальный диапазон материалов холодного спекания [16,21]. Учитывая, что LiF имеет аналогичную растворимость (0,29 г/100 мл), мы предполагаем, что CS является многообещающим подходом для увеличения уплотнения в керамике LiF [20]. Таким образом, в этом исследовании керамика LiF предварительно уплотняется с помощью процесса CS с последующим систематическим отжигом для оптимизации микроволновых свойств. Кроме того, оценивается химическая совместимость между LiF и Ag электродом, чтобы выявить его потенциал для применения в технологиях LTCC.
……………………
Выводы
Керамика LiF плотностью 78 % была изготовлена методом холодного спекания. Последующий доотжиг при 650 ◦C–800 ◦C привел к росту зерен и повышению относительной плотности до 92 %. Оптимальные микроволновые диэлектрические свойства (εr = 8,2, Qf = 110 800 ГГц и τf = –135 ppm/°C) определялись керамической микроструктурой и были получены для самых плотных образцов с наибольшим размером зерна, подвергнутых последующему отжигу при 800°C. Значения Qf были в 1,5 раза выше, чем у традиционно спеченной керамики (78 800 ГГц), и были химически совместимы с Ag-электродами, что позволяет предположить, что LiF холодного спекания с последующим отжигом может быть многообещающим компонентом в технологии LTCC.