作为重要微波介质材料之一,Al2O3陶瓷介电性能优良,在微波电路方面得到广泛应用。但Al2O3陶瓷的烧结温度较高,制备工序需消耗大量能源。低成本降低烧结温度对Al2O3陶瓷的进一步发展具有重要意义。本论文通过MnO2-CuO-TiO2掺杂实现了Al2O3陶瓷的低温烧结,并对其烧结行为和微波介电性能进行了研究。结果表明,MnO2、CuO、TiO2的质量分数分别为0.7%、0.5%、0.8%时,复合掺杂可以大幅降低Al2O3陶瓷的烧结温度,所获陶瓷具有良好的微波介电性能。在烧结温度为1 250 ℃时,Al2O3陶瓷的密度可达3.92 g/cm3,介电常数εr=10.02,品质因子与谐振频率的乘积Q×f值为51 239 GHz。Ti4+、Mn4+、Cu2+固溶导致Al2O3晶格扭曲活化,以及低共熔物形成是促进Al2O3陶瓷低温烧结的原因。

采用纳秒脉冲激光对Al2O3陶瓷进行激光铣削实验。使用响应面二阶回归模型建立铣削工艺参数与表面粗糙度、铣削深度之间的变化关系,通过灵敏度分析方法识别影响表面粗糙度和铣削深度的关键工艺参数;以最小化表面粗糙度和最大化铣削深度为优化目标,利用遗传算法确定理想的工艺参数组合,并进行实验验证。结果表明:基于响应面法的数学模型预测能力较强,铣削次数及搭接率对表面粗糙度和铣削深度的影响最为显著,优化参数下表面粗糙度与铣削深度的预测值分别为10.471 μm和120.526 μm,实验值分别为10.835 μm和131.277 μm,相对误差分别为3.36%和8.19%。

为了解决传统加工过程中重铸层无法消除的问题,采用超快皮秒激光创新性地在水介质中对Al2O3陶瓷进行皮秒激光钻孔实验,并与空气中钻孔结果进行对比,研究了皮秒激光主要参量如单脉冲能量、扫描次数等对陶瓷微孔的孔径、锥度和重铸层厚度的影响规律,并分析讨论不同介质中皮秒激光与Al2O3陶瓷相互作用机理及材料去除机制。结果表明,在水介质中激光钻孔直径增加约35μm、微孔锥度降低至1.04°并可获得无重铸层钻孔效果; 激光作用过程中水的存在会引起空泡作用、吸收作用和运输作用,有效防止了去蚀材料二次黏附,消除了重铸层和降低了微孔锥度,提升了微孔质量。该研究阐述了水辅助激光钻孔的具体影响状况并加深了对水辅助的影响机理理解。

为了改善激光直接刻蚀过程中形貌普遍较差的问题, 采用水射流激光复合刻蚀的方法,以SiC复相陶瓷和Al2O3陶瓷为研究材料, 分析了有无水射流条件下的形貌差异以及不同成分陶瓷的形貌差异, 并在此基础上研究了水射流流速对刻蚀深度和蚀除量的影响。结果表明,直接刻蚀时, 大量熔渣附于刻蚀表面, 刻蚀形貌较差, SiC复相陶瓷60%以上直接气化分解, 熔渣较少, 形貌稍好于Al2O3陶瓷; 复合刻蚀时, 刻蚀形貌有所变好, 且水射流流速在24m/s时的形貌要好于16m/s时的; 水射流流速越大, 材料的刻蚀深度和蚀除量越小, 流速每增大2m/s时, 材料的蚀除量平均减少0.066mm3左右, 相同流速下, SiC复相陶瓷的蚀除量比Al2O3陶瓷大0.4mm3左右。此研究对提高刻蚀形貌和分析不同陶瓷的刻蚀机理是有帮助的。