低温烧结Bi3B5O12陶瓷的研究开题报告

全文总字数：5776字

1. 研究目的与意义（文献综述）

低温共烧陶瓷（ltcc）技术是新一代电子信息制造业的核心技术之一，为无源电子器件的集成化和小型化提供了一种理想的平台，而低温共烧陶瓷介质是该技术的关键材料。大多数材料的烧结温度均在900℃左右，目前人们开始关注能否进一步降低烧结温度，从而有利于降低能耗，防止易挥发组分的挥发及其同其他材料的反应。本课题旨在降低高性能的微波介质材料的烧结温度，即在较低的烧结温度下，仍能实现致密化并获得高介电性能。超低温烧结微波介质陶瓷作为无源集成技术的主要介质材料，可广泛应用于无线通讯、可穿戴电子、物联网和全球定位系统等领域，其相关研究具有重要的应用价值和理论指导意义，是目前功能材料领域的研究热点之一。

超低温烧结陶瓷材料的研究主要集中在钼酸盐、碲酸盐、钒酸盐、钨酸盐、硼酸盐和玻璃陶瓷。大多数钨酸盐和钒酸盐微波介质材料具有低损耗和高烧结温度，只有少部分的新型钨基和钒基超低温烧结陶瓷材料被研究开发。而硼基超低温烧结微波介质陶瓷的开发则更少，目前关于其报导仅有五种。目前材料的开发和性能的提高都是以经验性总结和实验为基础，尚缺乏有效的材料设计和理论指导，特别是对主要的介电性能参数之间的相互制约关系探索依然需要深入，以及各个元素对材料结构、烧结动力学、烧结致密化、化学兼容性等作

用机理依然需要探讨。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：利用常规的固态反应法制备Bi₃B₅O₁₂陶瓷材料，同时防止易挥发组分的挥发及其同其他材料的反应。使用H₃BO₃作为添加剂合成Bi₃B₅O₁₂从而降低烧结温度。

材料表征：利用XRD、SEM、介电等测试手段对所制备的Bi₃B₅O₁₂陶瓷材料进行表征。其中用X射线衍射仪测定陶瓷的结晶相，陶瓷自然表面的微观结构通过扫描电子显微镜观察。

性能测试：主要测试陶瓷的烧结性能，微波介电性能以及与铝和银的相容性。

2.2 研究目标

1、文献调研，了解国内外相关研究概况和发展趋势，了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系；

2、掌握Bi₃B₅O₁₂材料的制备方法，制备成块体材料。在已知较好的工艺条件下，选择合适的添加剂，以同时满足降低烧结温度和致密化的要求；

3、研究添加剂以及掺杂含量对该体系烧结温度的影响，以及对其晶粒尺寸、显微结构、介电性能的影响。利用XRD、SEM、介电等测试手段对所制备的Bi₃B₅O₁₂材料进行表征，获得其对性能的影响规律；

4、分析总结数据，撰写毕业论文。

2.3 技术方案

1、通过常规的固态反应方法制备Bi₃B₅O₁₂陶瓷。将Bi₂O₃（99.95%）和H₃BO₃（99.99%）的高纯原粉进行化学计量称重，混合，并在带有氧化锆球的酒精中球磨6 h，然后在90°C的干燥箱中干燥。随后，将干粉在空气中于575°C下煅烧4 h。细煅烧的粉末用5wt%的聚乙烯醇（PVA）制成颗粒，然后压成直径为10 mm，厚度为4－6 mm的圆柱体。压力约为200 MPa。最后，将圆盘在空气中加热到550°C,持续4 h以排出粘合剂，然后以550°C/ min的加热速率在550–700°C烧结4 h；

2、陶瓷的结晶相通过X射线衍射仪测定，扫描速率为0.417°/s，CuKα辐射在40 kV和40 mA条件下产生。为了进一步计算相对相含量，使用GSAS软件以低扫描速率（0.021°/s）获得Rietveld雷诺数数据。用扫描电子显微镜观察陶瓷自然表面的微观结构；

3、在热蚀刻中，所有样品的横截面都被抛光，并在低于其烧结温度的50℃下加热30 min。借助方程计算样品的相对密度为：

其中ρ_r，ρ_b和ρ_C分别是是陶瓷的相对密度，堆积密度和理论密度。堆积通过阿基米德法测定。理论密度借助式（2）计算：

其中M₁，M₂和ρ₁，ρ₂分别是单个不同成分的质量分数和理论密度。Bi₄B₂O₉和Bi₆B₁₀O₂₄相的质量分数比是通过参考强度比（RIR）方法计算的。使用网络分析仪（E5071C，美国加利福尼亚州安捷伦公司，10 MHz至20 GHz）通过TE01δ方法测试微波频率范围内的介电性能。共振频率（τ_f）值的温度系数借助方程式（3）计算：

其中f_T和f₀分别是80°C和25°C时的谐振频率。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4－7周：按照设计方案，完成陶瓷材料的制备；

第8－11周：完成材料的表征及性能测试；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 张高群,汪宏.超低温烧结微波介质陶瓷研究进展[j]. 硅酸盐学报，2017, 45(9): 1256-1264.

[2] chen x , zhang w , zalinska b , et al. low sintering temperature microwave dielectric ceramics and composites based on bi2o3–b2o3[j]. journal of the american ceramic society, 2012, 95(10).

[3] michael hoch. thermodynamics and phase diagram of the binary system bi2o3-b2o3[j]. calphad computer coupling of phase diagrams thermochemistry, 20(4):0-519.