[00122245]稀土元素对铝硼硅酸盐低介电玻璃纤维结构和性能的影响研究

通过本项目的研究,得出玻璃介电性能与玻璃组分之间的定量关系。并重点研究稀土氧化物对玻璃网络结构与性能的影响。本项目所做的主要工作以及取得的主要成果、应用情况如下： 1. 研究稀土氧化物（La2O3、Ce2O3、Nd2O3、Sm2O3）掺杂对Al2O3-B2O3-SiO2体系玻璃结构及性能的影响,并以化学稳定性、介电性能等性能为指标进行比较发现：掺杂La2O3的玻璃具有最优综合性能,Ce2O3次之。随之重点研究两种稀土元素（La2O3、Ce2O3）对玻璃中间体氧化物氧化铝和氧化硼的配位与成键变化规律。玻璃结构性能的变化既取决于铝氧多面体和硼氧多面体结构,也和其他修饰体金属阳离子键强之间密切相关。稀土氧化物La2O3、Ce2O3掺入铝硼硅酸盐玻璃结构当中,一方面提供游离氧促进硼氧多面体、铝氧多面体的转变;另一方面稀土离子填充到玻璃网络间隙中,对结构的致密度产生一定的影响。具体为随La2O3、Ce2O3掺量增加硼氧三角体逐渐增多,铝氧四面体先增大后减小,硅氧网络结构也具有相似变化,综合考虑La2O3、Ce2O3掺入量分别在0～2mol%和0～2.5mol%左右,结构致密度更高。通过以上的分析测试方式,确定最优稀土氧化物掺杂种类,优化掺入量,进一步优化玻璃性能。 2. 重点研究两种稀土元素（La2O3、Ce2O3）对于玻璃性能的影响。实验过程中发现,掺La2O3的实验结果更好,La2O3含量为0～2.0（mol%）;随La2O3含量的增加,介电常数先减小后增大的趋势,掺入量在0.5mol%时,介电性能最优 ,介电常数为5.21,介电损耗为0.0025;Ce2O3掺入量在 2.0mol%时,介电性能最优 ,介电常数为5.42,介电损耗为0.004。调整CaO/La2O3比,研究玻璃结构与性能变化规律,发现介电常数先增大后减小,CaO/La2O3为44.83、21.92和3.84时在介电常数4.6～4.9之间,析晶峰温度在1150℃～1190℃,结构致密度更高。 3. 在以上实验基础上,对于La2O3掺杂玻璃,调整SiO2/B2O3、B2O3/Al2O3,并用MgO、SrO、BaO、ZnO替代CaO组分,以研究组分调整对La2O3掺杂玻璃结构与性能的影响。研究发现,随着SiO2/B2O3的增加,玻璃的介电常数和介电损耗没有明显的递增或递减趋势,而是出现拐点。当SiO2/B2O3比为3.6时,玻璃的介电性能最好。随着B2O3/Al2O3的增加,部分[BO3]转变为[BO4],玻璃的介电常数和介电损耗先降低,后增加。当B2O3/Al2O3为2.1时,玻璃的介电性能最好。在研究二价金属氧化物对掺La2O3玻璃结构与性能的影响是发现：用MgO取代部分CaO的介电性能最好,因此在玻璃中混合掺入CaO和MgO能改善玻璃介电性。 4. 基于以上研究,调整SiO2、Al2O3、B2O3含量,同时考虑制造成本问题,选择CaO/La2O3为44.83、21.92和8.17进行四因素三水平正交实验;通过正交实验发现,SiO2对介电性能影响最小,Al2O3次之,B2O3和CaO/La2O3影响最大,因此实验优化考虑调整基础配比,制得玻璃介电性能在 4.4-4.6之间,介电损耗低于0.0009;析晶峰温度在1170℃,拉丝温度在1270℃左右,转变温度在650℃,满足常规印刷电路板低介电玻璃纤维生产工艺要求。 5. 小组成员通过认真研究,对课题研究成果的总结,课题相关的内容分别在《Journal of Materials Science： Materials in Electronics》、《Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials》、《Surface Review and Letters》、《Materials Technology》、《Materials Letters》、《JOM》、《Materials Research Innovations》、《Advanced Materials Research》、《Key Engineering Materials》等重大国际学术刊物上发表,被SCI收录的论文有9篇,EI收录3篇,并在国际、国内学术会议上做邀请报告。通过这几年的研究探索,课题组通过研究的内容,发表的论文,逐渐凝练成低介电玻璃纤维组成、结构、性能与应用的的系列成果。彰显了团队的研究学术水平,同时申请了低介电玻璃纤维相关的四篇国家专利。 另外,课题组在项目实施研究阶段密切跟踪实验,认真负责研究,细心发现问题并积极探索,勇于创新,通过新问题发现新研究探索方向,不断提出具有探索应用价值的科学问题,综合讨论,系统分析并积极认真进行可行性探索实验,,为低介电玻璃纤维理论研究和应用推广进一步深入打下了厚实的基础,积极推动电子行业的进步,促进国民经济的发展。