一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷及制備方法，該陶瓷材料組成表達(dá)式為：ZnSnxTi1?xNb2O8,其中0.40≤x≤0.45。本發(fā)明微波介質(zhì)陶瓷材料具有以下特點(diǎn)：微波品質(zhì)因數(shù)高(Q·f=55,800 GHz~69,500 GHz),介電常數(shù)可調(diào)（εr＝22.83～26.21），制備工藝簡(jiǎn)單，過(guò)程環(huán)保，制備成本較低，是一種很有發(fā)展前途的介電可調(diào)的微波介質(zhì)材料。
【專利說(shuō)明】
一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電子信息材料及其器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型低損耗低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微波介質(zhì)陶瓷(MWDC)是指在微波頻段電路中作為介質(zhì)材料完成微波信號(hào)處理的一種陶瓷，是一種新型的電子功能陶瓷。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息容量呈指數(shù)性增長(zhǎng)，應(yīng)用頻率朝著更高的頻段發(fā)展，便攜式終端和移動(dòng)通信進(jìn)一步向著小型化、高集成化和高可穩(wěn)定性等方向發(fā)展。同時(shí)，介質(zhì)諧振器、濾波器、電容器等器件在電磁波的接受與發(fā)送、能量與信號(hào)耦合及篩選頻率方面有待進(jìn)一步的提高，這就對(duì)微波電路中的元器件提出了更高要求，開發(fā)小型化、高穩(wěn)定、廉價(jià)及高集成化的新型微波介質(zhì)陶瓷已成為當(dāng)今研究開發(fā)的焦點(diǎn)所在。
[0003]微波介質(zhì)陶瓷作為制造微波元器件的關(guān)鍵部分，應(yīng)滿足如下性能要求:(I)相對(duì)介電常數(shù)Er要盡量的高，這可以讓器件更加小型化；(2)諧振頻率溫度系數(shù)τ/要盡可能的接近0，這樣才能使器件工作時(shí)有較好的穩(wěn)定性；(3)品質(zhì)因數(shù)Q./值要高，這樣才能有優(yōu)良的選頻特性。根據(jù)相對(duì)介電常數(shù)Er的大小與使用頻段的不同，通?？蓪⒁驯婚_發(fā)和正在開發(fā)的微波介質(zhì)陶瓷分為超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，低^和高Q值的微波介電陶瓷，中等^和Q值的微波介電陶瓷，高ε Jg Q值微波介電陶瓷4類。
[0004]近期一種新型單斜晶系鎢錳鐵礦結(jié)構(gòu)ABNb2O8陶瓷體系，由于具有良好的微波介電性能而逐漸進(jìn)入研究人員視線；晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性及空間群為P2/c(13)，其中A離子可以調(diào)制為Mg2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Mn2+，B離子可以調(diào)制為Zr4+、Sn4+、114+。2013年印度V.R.K.Murthy教授率先報(bào)道AZrNb2O8體系的微波介電性能其微波性能為:er~9.6-16.5,Q./-25,000-58，500GHz、諧振頻率溫度系數(shù)介于-28 —50 ppm/°C之間，其具有低損耗、高穩(wěn)定、低成本及集成化等優(yōu)點(diǎn)?；谏鲜鲅芯靠梢园l(fā)現(xiàn)鎢錳鐵礦結(jié)構(gòu)ABNb2O8陶瓷是比較有應(yīng)用潛力的一種新型微波介質(zhì)陶瓷體系。但在國(guó)內(nèi)尚未見該系材料在應(yīng)用方面達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品的性能指標(biāo)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的Q./值遠(yuǎn)低于國(guó)外產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。上述微波介質(zhì)陶瓷采用傳統(tǒng)固相工藝制備，燒結(jié)溫度為1150-1250°C。陶瓷材料主要物相為ZnSnNb2O8,其介電常數(shù)范圍為22.83至26.21，品質(zhì)因數(shù)Q.f范圍為55，800至69，500 GHz，諧振頻率溫度系數(shù)范圍為_36.42至-11.48ppm/°C。
[0006]上述陶瓷材料按照Z(yǔ)nSnxTi1-xNb208(0.40彡X彡0.45)化學(xué)式配料，兩次混料約2411，預(yù)燒溫度約1050°C。當(dāng)化學(xué)組成為ZnSnQ.4TiQ.6Nb208，燒結(jié)溫度為1200 °(:時(shí)，具有最優(yōu)微波介電性能。其中介電常數(shù)為22.83，品質(zhì)因數(shù)0*/為69，500 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為-12.67 ppm/。。。
[0007]上述的介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法由下述步驟組成:
(1)混料:將純度大于99.99%的原料粉末按照配方ZnSnxTi1-XNb2O8的化學(xué)通式進(jìn)行配料，將粉料，氧化鋯磨球，無(wú)水乙醇加入混料瓶中，在混料機(jī)中混料約24小時(shí);將混料后的漿料置于70?90 0C干燥箱中烘干；
(2)將步驟(I)干燥后的粉料混合物裝入坩禍后置于高溫爐中，在約1050°C下預(yù)燒4小時(shí)，得到預(yù)燒粉體；
(3)二次混料
將步驟(2)預(yù)燒后的粉料，氧化鋯磨球，無(wú)水乙醇再次加入混料瓶，在混料機(jī)中混料約24小時(shí);將混料后的漿料置于70?90 0C干燥箱中烘干；
(4)造粒、成型
將(3)中烘干好的粉末加入石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過(guò)80目標(biāo)準(zhǔn)篩后，再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯；
(5)排膠
將生坯置于高溫爐中，在500 ° C下排膠四小時(shí)，排出石蠟成分；
(6)燒結(jié)
將排膠后的生坯于1150 °C-1250 °C燒結(jié)，保溫4小時(shí)。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用價(jià)格較為低廉陶瓷氧化物粉體為原料。制備工藝過(guò)程化學(xué)計(jì)量比控制精確，工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性好;合成物相穩(wěn)定單一，無(wú)雜相干擾;合成的微波陶瓷粉體顆粒細(xì)小、均勻，合成溫度較低，易于燒結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)在1200 °C內(nèi)燒結(jié)，可針對(duì)需求調(diào)節(jié)介電常數(shù)，同時(shí)具有良好的微波介電性能，滿足未來(lái)微波元器件的需要。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本發(fā)明ZnSnxTi1-XNb2O8陶瓷各實(shí)施例相關(guān)工藝參數(shù)及微波介電性能圖表。
[0010]圖2為本發(fā)明ZnSnxTi1-XNb2O8陶瓷實(shí)施例1掃描電子顯微鏡圖片。
[0011]圖3為本發(fā)明ZnSnxTi1-XNb2O8陶瓷實(shí)施例1X射線衍射分析圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0013]實(shí)施例1。
[0014](I)混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.40)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計(jì)量比，使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958，氧化鈦(1^02)2.395(^，氧化錫(SnO2)3.0138g和氧化鈮(他205)13.29(^，將稱量后的粉料倒入混料瓶中，并加入4(^無(wú)水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無(wú)水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0015](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時(shí)，即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.4TiQ.6Nb208粉體。
[0016](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球，40g無(wú)水乙醇再次加入混料瓶，在混料機(jī)中混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0017](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過(guò)80目標(biāo)準(zhǔn)篩后，再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0018](5)排膠:將生坯置于高溫爐中，在500°C下排膠四小時(shí)，排出石蠟成分。
[0019](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min，于1200°C保溫4小時(shí)可實(shí)現(xiàn)其燒結(jié)成瓷，其介電常數(shù)為22.83，品質(zhì)因數(shù)Q./為6.95 X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為_12.67ppm/°C0
[0020]實(shí)施例2。
[0021]⑴混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.425)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計(jì)量比，使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958，氧化鈦(1^02)2.29618，氧化錫(SnO2)3.2022g和氧化鈮(Nb2O5) 13.2905g，將稱量后的粉料倒入混料瓶中，并加入40g無(wú)水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無(wú)水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0022](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時(shí)，即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.425T1.575他2〇8粉體O
[0023](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球，40g無(wú)水乙醇再次加入混料瓶，在混料機(jī)中混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0024](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過(guò)80目標(biāo)準(zhǔn)篩后，再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0025](5)排膠:將生坯置于高溫爐中，在500°C下排膠四小時(shí)，排出石蠟成分。
[0026](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min，于1150°C保溫4小時(shí)可實(shí)現(xiàn)其燒結(jié)成瓷，其介電常數(shù)為24.60，品質(zhì)因數(shù)Q./為5.58 X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為_36.42ppm/°C。
[0027]實(shí)施例3。
[0028]⑴混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.45)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計(jì)量比，使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958，氧化鈦(1^02)2.19638，氧化錫(SnO2)3.3905g和氧化鈮(Nb2O5) 13.2905g，將稱量后的粉料倒入混料瓶中，并加入40g無(wú)水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無(wú)水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0029](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時(shí)，即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.45T1.55他2。8粉體。
[0030](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球，40g無(wú)水乙醇再次加入混料瓶，在混料機(jī)中混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0031](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過(guò)80目標(biāo)準(zhǔn)篩后，再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0032](5)排膠:將生坯置于高溫爐中，在500°C下排膠四小時(shí)，排出石蠟成分。
[0033](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min，于1250°C保溫4小時(shí)可實(shí)現(xiàn)其燒結(jié)成瓷，其介電常數(shù)為26.21，品質(zhì)因數(shù)Q./為6.58 X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為_32.74ppm/°C。
[0034]實(shí)施例4。
[0035]⑴混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.45)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計(jì)量比，使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958，氧化鈦(1^02)2.19638，氧化錫(SnO2)3.3905g和氧化鈮(Nb2O5) 13.2905g，將稱量后的粉料倒入混料瓶中，并加入40g無(wú)水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無(wú)水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0036](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時(shí)，即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.45T1.55他2。8粉體。
[0037](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球，40g無(wú)水乙醇再次加入混料瓶，在混料機(jī)中混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0038](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過(guò)80目標(biāo)準(zhǔn)篩后，再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0039](5)排膠:將生坯置于高溫爐中，在500°C下排膠四小時(shí)，排出石蠟成分。
[0040](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min，于1200°C保溫4小時(shí)可實(shí)現(xiàn)其燒結(jié)成瓷，其介電常數(shù)為25.98，品質(zhì)因數(shù)Q./為5.93 X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為-27.35ppm/°C0
[0041 ] 實(shí)施例5。
[0042]⑴混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.425)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計(jì)量比，使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958，氧化鈦(1^02)2.29618，氧化錫(SnO2)3.2022g和氧化鈮(Nb2O5) 13.2905g，將稱量后的粉料倒入混料瓶中，并加入40g無(wú)水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無(wú)水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0043](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時(shí)，即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.425T1.575他2〇8粉體O
[0044](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球，40g無(wú)水乙醇再次加入混料瓶，在混料機(jī)中混料約24小時(shí)，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離，將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0045](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過(guò)80目標(biāo)準(zhǔn)篩后，再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0046](5)排膠:將生坯置于高溫爐中，在500°C下排膠四小時(shí)，排出石蠟成分。
[0047](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min，于1250°C保溫4小時(shí)可實(shí)現(xiàn)其燒結(jié)成瓷，其介電常數(shù)為24.53，品質(zhì)因數(shù)Q./為6.02X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為_11.48 L
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【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，該陶瓷材料的組成表達(dá)式為:ZnSnxTi1-XNb2O8，其0.40彡x彡0.45。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述陶瓷材料的相對(duì)介電常數(shù)^=22.83?26.21，品質(zhì)因數(shù)Q./=55，800?69，500 GHz，諧振頻率溫度系數(shù)-36.42—11.48 ppm/°C。3.—種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)混料:將純度大于99.99%的原料粉末按照配方ZnSnxTi1-XNb2O8的化學(xué)通式進(jìn)行配料，將粉料，氧化鋯磨球，無(wú)水乙醇加入混料瓶中，在混料機(jī)中混料約24小時(shí);將混料后的漿料置于干燥箱中烘干； (2)將步驟(I)干燥后的粉料混合物裝入坩禍后置于高溫爐中，在約1050°C預(yù)燒4小時(shí)，得到預(yù)燒粉體； (3)二次混料 將步驟(2)預(yù)燒后的粉料，氧化鋯磨球，無(wú)水乙醇再次加入混料瓶，在混料機(jī)中混料約24小時(shí);將混料后的漿料置于干燥箱中烘干； (4)造粒、成型 將(3)中烘干好的粉末加入石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過(guò)80目標(biāo)準(zhǔn)篩后，再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯； (5)排膠 將生坯置于高溫爐中，在500 ° C下排膠四小時(shí)，排出石蠟成分； (6)燒結(jié) 將排膠后的生坯于1150 °C-1250 °C燒結(jié)，保溫4小時(shí)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述的陶瓷粉體原料分別為ZnO ,T12, SnO2，Nb2O5粉體。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)，(3)的料，磨球，無(wú)水乙醇的質(zhì)量比例為1:10:1;直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球質(zhì)量比例為2:1，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)，(3)烘干的溫度為70?90°C。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述的造粒是將球磨及烘干后的樣品粉體與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的石蠟進(jìn)行加熱混合，加熱混合溫度為55-65°C，制成微米級(jí)的球形顆粒。8.根據(jù)權(quán)利要求3的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(6)將步驟(5)得到的圓柱形生坯在1150-1250 °C的空氣氛圍下進(jìn)行燒結(jié)，升溫梯度為5 °C /min，保溫時(shí)間為4h。
【文檔編號(hào)】C04B35/495GK105906343SQ201610261650
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月26日
【發(fā)明人】吳海濤, 劉青青, 畢金鑫
【申請(qǐng)人】濟(jì)南大學(xué)