镁橄榄石 / 堇青石复相陶瓷：聚焦其性能剖析

为确保微波天线系统（其承担着信号发射、接收、调制等关键作用）在高温环境下能够高效运行，该系统的陶瓷基部分需具备低介电常数、低损耗的特性，并且热膨胀系数要与金属相匹配，从而保障在高温工况下稳定工作。镁橄榄石瓷虽然拥有较低的介电常数与介质损耗，然而其热膨胀系数偏高。鉴于此，采用热膨胀系数较低的堇青石瓷与之复合，制备镁橄榄石 / 堇青石复相陶瓷，以期二者在介电性能以及热膨胀性能方面达成互补，进而满足耐高温天线材料的严苛要求。其中，

关键词为：镁橄榄石 / 堇青石复相陶瓷、介电性能、热膨胀系数。

近年来，移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）、蓝牙技术以及无线局域网（WLAN）等现代通信技术迅猛发展，这种飞速发展态势极大地带动了现代通信领域对相关元器件的需求。微波谐振器、滤波器、振荡器、移相器、微波电容器以及微波基板等元器件有着庞大的市场需求，加之由微波介质陶瓷制作的介质谐振器等微波元器件具备体积小、质量轻、性能稳定、价格亲民等诸多优势，所以微波介质陶瓷得以迅速发展，其市场规模也快速扩张，并且在现代通信工具向微型化、片式化、集成化迈进的进程中扮演着举足轻重的角色。正是源于这般强大的市场驱动力，微波介质陶瓷受到了广泛且深入的研究。世界各国纷纷加大投入，展开全方位研究，陆续开发出全新的材料体系 。

低介电常数的微波介质陶瓷材料能够广泛应用于卫星通讯、导弹遥控以及 GPS 天线等诸多领域。为使陶瓷材料的介电常数和热膨胀系数与高温合金精准匹配，可通过制备镁橄榄石 / 堇青石复相陶瓷这类低介微波介质陶瓷体系深入开展研究，以此满足材料在特殊性能方面的要求。

低介微波介质材料，其主要用途为装置瓷领域。这类材料的介电常数 εr 相对不高，通常处于 10 以下；介质损耗角正切值较小，一般在 2×10⁻⁴ 至 9×10⁻³ 这个区间范围内；并且具备较高的机械强度，一般抗弯强度为 (45～300) MPa，抗张强度可达 (400～2000) MPa。其主要作用是制造无线电设备中用于装置零件的陶瓷部件。

在无线电设备里，它发挥着多重关键功能，诸如作为固定、安装、保护无线电元件的载体，同时充当载流导体的绝缘支撑结构。像高频绝缘子骨架、电子管底座、波段开关、插座、瓷轴、电阻基体，以及无线电元件的封装外壳，还有厚、薄膜电路、微波集成电路基片等等，都离不开它。不仅如此，其在空间技术以及能源工业中的应用范畴也越发广泛。

常用的低介微波介质陶瓷涵盖高铝瓷、滑石瓷、莫来石瓷、堇青石瓷、镁橄榄石瓷等，表 1 详细列出了几种主要的低介微波陶瓷的性能参数。

3 镁橄榄石瓷

镁橄榄石瓷介电性能比滑石瓷要好，特别是在微波和高温下性能更加优异。镁橄榄石在高温下的绝缘电阻高，耐压强度大，介质损耗小。从耐热性、热传导性、化学稳定性以及强度等各方面来看，它是一种很好的电子陶瓷。镁橄榄石瓷又因其热膨胀系数能与Ti- Ag- Cu 或Ti- Ni 合金匹配，有利于真空封接，用于制造电子管、半导体器件的绝缘零件，如小型金属陶瓷电子管和晶体管真空密封的外壳或保护用外壳。该材料很容易获得平滑表面，因此可用来制作金属膜电阻、碳膜电阻和线绕电阻的基体以及集成电路基片等。不足之处是由于它的线膨胀系数大而使抗热冲击性差。

镁橄榄石还用于添加入CaWO4。CaWO4为白钨矿结构，

属四方晶系，ParkⅡ- Hwan [13] 报道了添加了Mg2SiO4的Ca-WO4性能：0.9CaWO4- 0.1Mg2SiO4在1200℃烧结下，εr=10.0，

Q·f＝129858GHz，τf=－49.6×10- 6/℃。由于它本身具有负的谐振频率温度系数，要想得到近似为零的谐振频率温度系数，可以添加谐振频率温度系数为正值的材料。Ovchar O V[14]报道了Mg2SiO4-MgTiO3- CaTiO 3

系微波介质陶瓷具有优良的介电性能，其相对介电常数可以在10~15 之间调节，

0.75Mg2SiO4- 0.25MgTiO3- 0.06CaTiO3的微波介电性能为εr=15，Q·f＝5000（f＝10GHz），τf=- 8×10- 6/℃，烧结温度为1350℃。

堇青石瓷凭借介电常数低、热膨胀系数小、力学强度较高以及电绝缘性能优良等诸多优势，被视作极具发展潜力的介电材料，在电力电子工业领域得以广泛应用。例如，常用于制造各类电路板、绝缘体、整流罩、电容器、滤波器以及混频器等，并且作为多层封装材料也已投入实际应用 。

然而，堇青石材料存在一定缺陷。一方面，其内部离子排列不够紧密，晶格中存有较大空隙，这就致使该材料烧结难度较大，介质损耗角偏大，处于 10⁻³ 数量级。此外，其烧成温度范围较为狭窄，致密烧结温度与不一致熔融温度仅相差几度，难以实现致密烧结 。再者，堇青石的机械性能欠佳，弯曲强度仅在 100 MPa 左右，这在很大程度上限制了它的应用范围 。

另一方面，恰恰是因为堇青石材料结构疏松以及其特殊的内部结构，使其具备线膨胀系数极小、抗热震稳定性优异的突出特点。在室温至 800℃的区间内，它的平均热膨胀系数为 (0.9～1.4)×10⁻⁶/℃，这一数值在几乎所有陶瓷材料当中近乎最小。同时，它还拥有与硅性能相近的热膨胀系数以及低介电常数，所以采用堇青石来制作透波材料和优质电子封装材料，前景极为可观。

综合前文所述镁橄榄石与堇青石各自的性能特点，可得出如下结论：镁橄榄石瓷具有较低的介电损耗、较大的比体积电阻，然而其热膨胀系数偏高，热稳定性欠佳；堇青石则呈现出低热膨胀系数与良好的热稳定性。为有效调控陶瓷材料的介电常数与热膨胀系数，以满足特定的材料性能需求，可通过制备镁橄榄石 / 堇青石复相陶瓷来实现。在镁橄榄石 - 堇青石体系中，当堇青石的含量处于 10 wt％～40 wt％时，既能确保电学性能不会出现大幅损失，又可使材料的耐热冲击性能得到一定程度的改善，故而在此成分范围内开展不同配方及添加量对所得材料性能影响的研究 。

耐高温天线材料的陶瓷基部分，需满足低介质损耗、介电常数约为 7.0 左右，以及热膨胀系数能与高温合金相匹配等要求。单一的镁橄榄石瓷，虽其介电常数与介质损耗能够契合上述部分条件，但热膨胀系数过大，处于 (8～10)×10⁻⁶/℃区间，显然难以达到实际使用要求。依据复合材料的混合法则，引入低热膨胀系数的堇青石瓷进行复合，不仅能够降低整体热膨胀系数，还可获取低损耗的陶瓷材料。堇青石瓷作为一种关键的低介微波介质材料，在室温至 800℃的范围内，其平均热膨胀系数约为 2.8×10⁻⁶/℃，近乎在所有陶瓷材料中处于最小值。

谢颖 [22] 等人针对镁橄榄石 / 堇青石复相陶瓷的性能展开了综合研究，发现随着堇青石含量的递增，镁橄榄石 / 堇青石复相陶瓷的体积密度呈线性下降态势，介电常数随之降低，而介质损耗却呈现增高趋势。当堇青石含量达到 30 wt% 时，其介电常数 εr 约为 7.0，低频介质损耗 tanδ 为 1.5×10⁻³；在微波频率（10 GHz）下的介质损耗为 1.44×10⁻³。此外，镁橄榄石 / 堇青石复相陶瓷的热膨胀系数随着堇青石含量的升高逐步降低，具备热膨胀系数的可调节性，范围处于 (4～11)×10⁻⁶/℃，且抗弯强度约为 105 MPa，展现出良好的机械性能。

进一步研究表明，复相陶瓷的烧结温度区间为 1320～1340℃，体积密度伴随堇青石含量的增加呈线性下滑；介电常数因堇青石含量的增多而降低，处于 5.4～7.6 之间；介质损耗随着堇青石含量的增长呈上升走向，在 10 GHz 频率下的介质损耗处于 10⁻³ 数量级；热膨胀系数随堇青石含量的升高可在 (4～11)×10⁻⁶/℃范围内灵活调整，抗弯强度约为 105 MPa；体积电阻率在常温条件下均在 10¹³ Ω・cm 以上。

作为耐高温天线材料的陶瓷基部分，需满足低介电常数、低损耗、热膨胀系数与金属相匹配以及在高温下能够稳定、有效工作等多方面要求。综合前文所介绍的各类低介微波介质陶瓷的特性，经过理论推导与实践验证可知，镁橄榄石和堇青石各自的性能特点能够相互补充，基本满足使用要求。因此，采用镁橄榄石与堇青石制备复相陶瓷，既能将对电学性能的影响控制在较小范围内，又能切实提升材料的耐热冲击性能。

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