钛酸镁是近年来在微波陶瓷领域应用广泛的介电材料

【背景及概述】^[1][2][3]

微波介质陶瓷是近年来迅速发展起来的一类新型功能陶瓷材料，它具有低微波损耗、高介电常数及介电常数温度系数τε 稳定等特点，已广泛应用于微波和移动通信领域。钛酸镁（又称偏钛酸镁）是近年来在微波陶瓷领域应用广泛的介电材料，其εr 为16~22，由于原料丰富、成本低廉，引起了各国材料工作者的极大关注，因而制备高纯度单一相的钛酸镁 微波介质陶瓷具有非常重要的现实意义。通常钛酸镁 可以通过MgO 和TiO₂ 固相反应合成，但极易产生第二相MgTi₂O₅，甚至在采用机械化学法制备时都会产生少量MgTi₂O₅ 相，因而人们不得不采用原料价格昂贵、费时费力的sol-gel法、热分解法或化学共沉淀法制备纯钛酸镁粉体。MgO-TiO₂系陶瓷材料具有三种不同的化合物形式：正钛酸镁（Mg₂TiO₄）、偏钛酸镁（钛酸镁）和二钛酸镁（MgTi₂O₅）。其中正钛酸镁、偏钛酸镁的微波介电性能良好，但晶体结构不同，前者为尖晶石结构，后者属于钛铁矿晶体结构，二钛酸镁的tanδ比较高，是制备过程中不希望获得的晶相。而制备没有MgTi₂O₅ 和Mg₂TiO₄ 晶相的纯钛酸镁 粉体是相当困难的，而且附加相会增加收缩过程的时间，并改变陶瓷的微波介电性能。以高活性碱式碳酸镁(Mg(OH)₂·4MgCO₃·5H₂O)和金红石型TiO₂ 作为初始原料，用固相反应法合成纯钛酸镁 粉体，研究了纯钛酸镁 粉体的预烧温度，由于钛酸镁 具有正的τε（约70×10^–6 / ℃，1 MHz），采用具有负的τε的CaTiO₃（约- 2 400×10^–6 / ℃，1 MHz）进行调节，得到τε 稳定（τε = ±10^–5/ ℃）的钛酸镁 陶瓷材料，并掺入稀土氧化物Nd₂O₃ 或CeO₂ 有效地改善了陶瓷的微波损耗和绝缘特性。

【理化性质】^[2]

钛酸镁系统存在三种化合物：正钛酸镁（2MgOTiO2）、偏钛酸镁（MgO-TiO2）、二钛酸镁（MgO-2TiO2），三者的介电性能如表所示。

其中正钛酸镁、偏钛酸镁的微波介电性能良好，但晶体结构不同，前者为尖晶石结构，后者属于钛铁矿结构，二钛酸镁介电损耗比较高，是制备过程中不希望获得的晶相。

【生产】^[1][4]

方法1：利用高活性的碱式碳酸镁Mg(OH)₂·4MgCO₃·5H₂O 和金红石型TiO₂ 为原料，按照非化学计量比r(Mg：Ti)为1.03：1：00 配料，利用固相反应法在预烧温度为1 100 ℃时可以得到纯钛酸镁 粉体。在掺入CaTiO₃ 后调节了钛酸镁 粉体的τε，得到τε 为±10–5 /℃的陶瓷材料，并且从实验数据中观察到τε 的改变具有线性关系，提高了钛酸镁 的选择范围。同时掺入Nd₂O₃ 或CeO₂ 可以改善钛酸镁 陶瓷的Q·f 值及其绝缘特性，并用SEM 对其进行了表征，掺杂后钛酸镁陶瓷均匀致密，可以制备具有良好微波介电性能的钛酸镁 陶瓷材料。

方法2：钛酸镁粉体的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将3g/L～10g/L碱性物质和2g/L～30g/L含钛物质加入蒸馏水中，配置成电解液；

2）将镁或镁合金置于装有配置电解液的不锈钢槽体中，进行微弧氧化处理：以镁或镁合金做阳极、不锈钢槽体为阴极，采用脉冲微弧氧化电源供电，在脉冲电压为350V～600V、频率为50Hz～2000Hz、占空比为10%～45%、电解液温度为20℃～40℃的条件下氧化10min～60min，即可在镁或镁合金表面合成含钛酸镁的微弧氧化陶瓷涂层；

3）配置体积浓度为5%～30%的酸性溶液；

4）将微弧氧化处理后镁或镁合金置于配置的酸性溶液中，浸泡3h～24h；

5）对浸泡后的酸性溶液进行过滤，得到钛酸镁粉末，然后，用蒸馏水冲洗；

6）将钛酸镁粉末置于pH值为10～13的氨水溶液中浸泡1h～5h；利用氨水对钛酸镁粉末的形貌和晶粒的大小经行调控；

7）将浸泡后氨水溶液过滤，对过滤出的物质用蒸馏水冲洗，然后进行干燥，得到合成的钛酸镁粉体。

【应用】^[2]

钛酸镁是近年来在微波陶瓷领域应用广泛的介电材料， 由于钛酸镁 具有负的谐振频率温度系数， 因此需要掺入具有正温度系数的材料从而使其满足实用要求。CaTiO₃ 由于其有较大的介电常数和正频率温度系数（εr=170，τf=800ppm/ ℃，Q×f=3600 GHz）， 所以掺入CaTiO3 可以提高整个系统的介电常数，同时使谐振频率温度系数接近零，从而满足实用要求。 钛酸镁 基材料是一种较为成熟的微波介质材料，具有高Q×f，是一种典型的温度补偿电容器和谐振材料。正钛酸镁（Mg₂TiO₄）具有尖晶石结构，其介电常数和介电损耗都比较小，介电常数为14，介电损耗达10-4 数量级。另外，该体系陶瓷具有负温度系数，研究中通常加入具有正温度系数的材料进行调节，使得系统达到近零的温度系数。但正钛酸镁陶瓷的烧结温度较高，在1430～1450℃范围内，且烧结温度范围窄，在不降低其介电性能的前提下，通过添加烧结助剂，降低烧结温度是目前该领域的研究热点。

【主要参考资料】

[1] 邓超, et al. 纯钛酸镁的制备及改性研究. 电子元件与材料, 2009, 12: 9-11.

[2] 卢正东; 沈春英; 丘泰. 钛酸镁基微波介质陶瓷研究进展. 中国陶瓷, 2009, 12: 10-13.

[3] 吴坚强, et al. 钛酸镁粉末合成工艺与性能的研究. 中国陶瓷, 2001, 37.3: 13-16.

[4] 唐辉;王超;简贤;陈磊;徐豹.一种钛酸镁粉体的合成方法. CN201410050422.X，申请日2014-02-13