CaO/MgO混合比对铝硼硅酸盐玻璃结构与高频介电性能的调控机制研究

为满足5G/6G高频通信对低介电玻璃纤维的迫切需求，研究人员通过调控CaO/MgO比例，系统研究了混合碱土金属对SiO2 -Al2 O3 -B2 O3 体系玻璃网络结构及性能的影响。结合XRD、FTIR和MAS-NMR等多维表征手段，发现CaO/MgO=1:4时玻璃呈现最优性能：热膨胀系数低至2.97×10?6 /°C，10 GHz下介电常数仅4.36。该研究为高性能低介电玻璃纤维的工业化生产提供了理论依据。

　　

随着5G/6G通信技术的迅猛发展，高频信号传输对材料介电性能提出了严苛要求。低介电玻璃纤维因其优异的信号保真度和抗干扰能力，成为基站天线、集成电路封装等场景的核心材料。然而，传统玻璃纤维面临热膨胀系数匹配性差、高频段介电损耗大等瓶颈问题，特别是碱土金属氧化物添加量与介电性能间的矛盾关系尚未厘清。如何在保证玻璃可工业化的前提下，通过微观结构调控实现性能突破，成为材料领域亟待解决的科学难题。

针对这一挑战，广西科技计划等项目支持的研究团队在《Journal of Non-Crystalline Solids》发表了创新性成果。研究聚焦SiO₂
-Al₂
O₃
-B₂
O₃
-RO-TiO₂
体系无碱铝硼硅酸盐玻璃，通过设计CaO/MgO梯度比例（CM1-CM6系列），综合运用X射线衍射(XRD)验证非晶态结构，傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析[BO₃
]/[BO₄
]转化，魔角旋转核磁共振(MAS-NMR)定量²⁷
Al和¹¹
B配位环境，同步检测热膨胀系数、10 GHz高频介电性能等关键指标。

玻璃样品制备
采用高纯试剂（SiO₂
≥99.98%）通过熔融-淬冷法制备CM系列玻璃，严格控制CaCO₃
/MgO比例实现CaO/MgO从4:1到1:4的梯度变化，为后续结构-性能关联研究奠定基础。

X射线衍射分析
XRD谱图显示所有样品均呈现典型非晶态"馒头峰"，证实无结晶相存在。这种均质非晶结构是获得优异介电性能的前提条件。

傅里叶变换红外光谱分析
FTIR揭示随着MgO替代CaO，位于1200-1500 cm^?1
的[BO₃
]振动峰减弱，而900-1200 cm^?1
处[BO₄
]特征峰增强，表明Mg²⁺
更有利于促进[BO₃
]→[BO₄
]转化，增强网络致密性。

核磁共振结构解析
¹¹
B MAS-NMR定量显示CM4样品（CaO/MgO=1:4）中[BO₄
]占比达72.3%，较CM1提高18.6%；²⁷
Al NMR证实[AlO₄
]为主要存在形式（占比>85%），二者协同构建稳定的[SiO₄
]-[AlO₄
]-[BO₄
]三维网络骨架。

性能优化机制
当CaO/MgO=1:4时，玻璃获得最佳综合性能：热膨胀系数α=2.97×10^?6
/°C（接近单晶硅），10 GHz下介电常数ε=4.36，酸蚀失重率<0.12 mg/cm²
。这种"混合碱土效应"源于Mg²⁺
更强的场强，可同时优化网络连接度和自由体积分数。

该研究首次阐明CaO/MgO比例通过调控[BO₄
]/[AlO₄
]配位平衡影响玻璃介电响应的分子机制，提出的1:4配比方案兼具工业化可行性与性能优势。所开发的低介电玻璃纤维已通过国家节能低碳材料示范平台验证，为5G基站滤波器、毫米波天线罩等关键部件提供了国产化材料解决方案。这项工作不仅深化了对硼铝反常现象的认识，更为高频通信材料的理性设计提供了新范式。