1，介电常数k值系列化新型超低温烧结微波介质陶瓷材料。
从基础二元相图出发，以低共熔点单相组分为研究基础，根据电价相等、摩尔比匹配方式、按照化学剂量比设计配方，在Bi2O3-MoO3二元体系、Li2O-Bi2O3-MoO3三元体系、Li2O-Bi2O3-MoO3-V2O5四元体系等富铋的多元体系中，研发出涵盖低k材料（介电常数<20）、中k材料（介电常数20~45）及高k材料（介电常数>45）的一系列新型超低温烧结（烧结温度<660℃）微波介质陶瓷材料，其烧结温度远远低于常规意义的低温烧结微波介质陶瓷材料（900℃附近），且部分材料可以与低熔点的贱金属Al共烧匹配，开拓了Al电极在LTCC技术中的应用，并论证了Al电极取代Ag电极的可能性。（D. Zhou, et al., J. Am. Ceram. Soc. 2008, 91(10) 3419; 2009, 92(10) 2242; 2009, 92(12) 2931; 2010, 93(4) 1096; 2010, 93(8) 2147; 2011, 94(2) 348; 2011, 94(3) 802）
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组分
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烧结温度（℃）
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与Al
反应
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密度
(g/cm3)
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介电常数εr
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谐振频率f (GHz)
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品质因数Q×f(GHz)
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温度系数TCF(ppm/℃)
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Li2MoO4
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540
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No
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2.90 (95.5%)
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5.5
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13.05
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46,000±1000
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-160±9
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Li2WO4
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650
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No
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4.34 (95.1%)
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5.5
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15.70
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62,000±1000
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-140±6
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Li3InMo3O12
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630
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No
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4.01 (96.2%)
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9.8
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15.02
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36,000±3,000
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-70 ±4
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Li2Zn2Mo3O12
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630
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No
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4.27 (96.0%)
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11.1
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14.63
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70,000±5,000
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-90±7
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Li8Bi2Mo7O28
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540
|
No
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4.29 (95.7%)
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13.6
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9.21
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8,000±400
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-60±5
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Bi2Mo3O12
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610
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No
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5.76 (93.0%)
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19
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7.58
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21,800±800
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-210±8
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(KBi)1/2MoO4
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630
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No
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4.88 (95.0%)
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37
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7.50
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4,000±300
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+120±3
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Bi2Mo2O9
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620
|
No
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6.25 (96.1%)
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38
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6.30
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12,500±500
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+30±3
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(LiBi)0.5MoO4
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560
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Yes
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5.48 (96.7%)
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44.4
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5.52
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3,200±300
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+250±10
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(Li,Bi)(Mo,V)O4
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650
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No
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>95%
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81
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3.75
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8,000±400
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-90~+9.7
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2, ABO4（A2+= Ca2+、(Li0.5Bi0.5)2+、(Na0.5Bi0.5)2+；A3+=Bi3+；B5+=Nb5+、V5+、Sb5+、Ta5+；B6+=Mo6+、W6+）型材料铁弹-顺弹相变、反铁电-铁电相变研究及其对性能的影响。
早在1962年，Roth等人就指出低温正交相的α-BiNbO4会在1020℃以上不可逆地转变成高温三斜相β-BiNbO4，同时伴随着晶胞体积减小，结构更加稳定。我们在实验中发现，由于陶瓷样品中残留应力的存在，当加热到700℃后，双层键合的[NbO6]（铌氧八面体链）逐渐被打开且被一层Bi原子层分开，β-BiNbO4逐渐转变成α-BiNbO4。当热处理温度升高至1020℃后，相邻的两层[NbO6]又重新键合在一起，α-BiNbO4再次转变成β-BiNbO4。相应的差热分析、热膨胀系数及介电温谱数据均支持这一结果。由此可见，能量与应力变化驱使相邻两层[NbO6]的键合与分离是促使BiNbO4相变发生的主要原因。键合在一起的两层[NbO6]在一定温度区间（700℃~1020℃）以及较长的保温时间（700℃下1000分钟）下打开，从而推翻传统研究中对BiNbO4相变的认识，对其性能结构研究提供了更加丰富的数据（D. Zhou, et al., Appl. Phys. Lett., 2007, 90(17) 172910）。近年来BiVO4材料因其优异的介电特性和光催化特性受到广泛关注。一般认为BiVO4材料具有三种不同结构：四方锆石、四方白钨矿及单斜白钨矿结构。单斜白钨矿结构BiVO4在255℃高温下，发生可逆的铁弹-顺弹二阶相变转变成四方白钨矿相。根据Hazen等人在Science上的报道，此相变也可以通过外加应力诱导发生。本论文工作中通过新颖的不等价复合离子取代的方式，将(Li1/2Bi1/2)2+、(Na1/2Bi1/2)2+和(K1/2Bi1/2)2+复合离子引入八配位环境的A位，将Mo6+离子引入四配位环境的B位，成功地在单斜白钨矿结构中引入较大内应力。随着离子取代量的增加，内应力逐渐增大，晶格结构逐渐从单斜相转变为四方相，从而将铁弹-顺弹相变温度从255℃逐渐降低到室温附近，形成一系列白钨矿型的新型固溶体，如：(Li0.5xBi1-0.5x)(MoxV1-x)O4、(Na0.5xBi1-0.5x)(MoxV1-x)O4等（D. Zhou, et al., Acta. Mater., 2011, 59(4) 1502; D. Zhou, et al., J. Mater. Chem., 2011, 21(45) 18412；应国际衍射数据中心（ICDD）邀请提交新材料的相关结构属性参数）。通过原位的变温XRD、变温Raman谱以及远红外反射谱表征与分析了其相变机理，在相变点附近组分获得极佳微波介电性能（介电常数介于77~82，Q×f值>8,000 GHz）（D. Zhou, et al., Inor. Chem., 2011, 50, 12733）。尤其是[(Li0.5Bi0.5)0.098Bi0.902][Mo0.098V0.902]O4组分，可以在650℃下烧结致密，且在此结温度下与Al、Cu金属电极材料共烧匹配，是具有潜在应用价值的新型高介电常数微波介质材料。
BiNbO4低温正交相与高温三斜相空间结构示意图 三斜相BiNbO4生坯的热收缩曲线 三斜相BiNbO4生瓷的介电温谱
(Li0.5xBi1-0.5x)(MoxV1-x)O4中晶胞参数随组分的变化趋势 典型单斜白钨矿与四方白钨矿结构示意图 LBMV陶瓷与Ag、Al及Cu粉共烧XRD图谱
xBi(Fe1/3Mo2/3)O4-(1-x)BiVO4体系微波介电常数随温度的变化趋势 ； xBi(Fe1/3Mo2/3)O4-(1-x)BiVO4体系微波品质因数Qf随温度的变化趋势
3, 应用多层共烧技术制备微波介质电容器及基板天线原型器件。
通过流延的方法制备出Bi2Mo2O9基生带，以贱金属Al作为内电极，通过丝网印刷与叠层的方法制备出六层的超低温（645℃）多层共烧电容器的原型器件（介质单层50 μm，Al电极单层12 μm）。通过对其微观结构的扫描电镜二次电子像（SEM）及能谱（EDS）分析、室温频谱、低频温谱以及P-E回线的测量，发现流延方法制备加工的Bi2Mo2O9层状样品具备与块材样品相当的介电性能。（D. Zhou, et al., J. Am. Ceram. Soc., 2010, 93(5) 1443）此项研究结果进一步拓展Al电极在LTCC领域中的应用，使之取代Ag电极成为可能。尝试使用低温烧结的BiNbO4陶瓷作为基板，通过丝网印刷的方法印制金属天线，设计成二维天线阵列，网络分析仪的实际测量结果显示天线阵列在3.07 GHz的中心频率下其-10 dB衰减带宽达到34 MHz，与HFSS软件仿真结果吻合，（D. Zhou, et al., Mater. Sci. Eng. A, 2007, 460-461, 652）初步探索了高介电常数介质基板材料在微波频段的应用。
流延法制备多层共烧电容器制备流程图 645oC共烧Bi2Mo2O9基六层电容器(Al作内电极)
4， 高品质因数微波介质陶瓷材料的研发。
在现代通信中，微波介质陶瓷被广泛地应用在谐振器、滤波器、介质基板、介质天线和介质波导回路等领域中。本课题组近年来开发了一系列拥有自主知识产权的低、中、高介电常数的微波介质陶瓷材料体系，性能列表如下：
K12~K15, 40,000 GHz<Qf<50,000 GHz, TCF<±10 ppm/oC, 1250oC <S.T.<1300 oC;
K16~K24, 40,000 GHz<Qf<85,000 GHz, TCF<±10 ppm/oC, 1250oC <S.T.<1350 oC;
K32~K35, 45,000 GHz<Qf<55,000 GHz, TCF<±10 ppm/oC, 1250oC <S.T.<1350 oC;
K43~K45, 30,000 GHz<Qf<45,000 GHz, TCF<±15 ppm/oC, 1350oC <S.T.<1450 oC;
K65~K82, 9,000 GHz<Qf<14,000 GHz, TCF<±15 ppm/oC, 1300oC <S.T.<1400 oC;
陶瓷样品宏观图片
(创新港)
