專利名稱：一種具有復(fù)相結(jié)構(gòu)低損耗微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低損耗微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法，特別是具有復(fù)相結(jié)構(gòu)與
中等介電常數(shù)的低損耗微波介質(zhì)陶瓷的配方及其制備方法。
背景技術(shù)：
高性能微波介質(zhì)陶瓷廣泛地使用于現(xiàn)代3G移動(dòng)通訊關(guān)鍵部件，如微波濾波器、微 波天線和介質(zhì)導(dǎo)波回路中，是這些微波器件小型化、高品質(zhì)化和集成化的重要保障。衡量 微波介質(zhì)陶瓷材料性能優(yōu)劣的三個(gè)重要的電學(xué)參數(shù)分別是相對(duì)介電常數(shù)e 。品質(zhì)因數(shù)Qf 及諧振頻率溫度系數(shù)Tf，其中相對(duì)介電常數(shù)決定著微波器件的最終尺寸，高介電常數(shù)的微 波介質(zhì)陶瓷是微波器件小型化的重要保證。 目前在覆蓋整個(gè)微波頻率段的陶瓷材料中，人們對(duì)10cm以上微波波段(數(shù)百 MHz 3GHz)所用的微波介質(zhì)材料已研究得比較成熟，開發(fā)出了一系列e r > 70的高介電 常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料，但由于微波介質(zhì)陶瓷介電常數(shù)e r和品質(zhì)因數(shù)Qf之間內(nèi)在物理制 約機(jī)制，使得這些高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的品質(zhì)因數(shù)Qf往往小于10000GHz。而與此同 時(shí)，隨著民用移動(dòng)通訊技術(shù)，包括手機(jī)、GPS、衛(wèi)星電視等，不斷向著高頻(第四代)、大信息 量，高穩(wěn)定度方向的發(fā)展，對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的品質(zhì)因數(shù)Qf和諧振頻率溫度系數(shù)t f勢(shì)必會(huì) 提出越來越嚴(yán)格的要求。目前移動(dòng)通訊市場(chǎng)對(duì)于3cm 10cm波段下(3 10GHz)的超低 損耗(Qf > 30000GHz)、高溫度穩(wěn)定(t f < 15卯m廣C )的中等介電常數(shù)(30 60)陶瓷材 料的需求很大。它們可望在衛(wèi)星電視、無線基站、雷達(dá)導(dǎo)航及微波振蕩器中獲得廣泛應(yīng)用。
目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)的 一 些中等介電常數(shù)的微波介質(zhì)材料，如(l-x) Ca061Nd0 26Ti03+xNd(Mg1/2Ti1/2)03(胡明哲等，J. Appl. Phys. 104 (2008) 124104)、 (l_x)CaTi03+xNdA103(E. R. Kipkoech et al. ， Acta Materialia， 54 (2006) 2305) 及xNd (Zn1/2Ti1/2) 03-(1-x) CaTi03 (Ching-Fang Tseng et al. ， MaterialsLetters， 61(2007)4054-4057)等單一f丐鈦礦結(jié)構(gòu)的材料，盡管它們均具有超低的介電損耗，但當(dāng)其 諧振頻率溫度系數(shù)t f " 0時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)均難以超過50，阻礙了微波濾波器等通訊元 器件的進(jìn)一步小型化?；诖思夹g(shù)背景，本發(fā)明公開了一種具有復(fù)相結(jié)構(gòu)(multiphase structure)的微波介質(zhì)陶瓷材料，它除了主相鈣鈦礦相外，還含有一種化學(xué)成分較為復(fù)雜 的焦綠石相，其A位包含Ca2+及Sr2+離子，B位則包含Nb5+、 Ta5+、 Ti4+、 Al3+等離子。該陶瓷 具有超低的介電損耗和穩(wěn)定的諧振頻率溫度系數(shù)，尤其是它具有相對(duì)介電常數(shù)大于50的 電學(xué)特性。 —般認(rèn)為，在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的微波介質(zhì)陶瓷中，焦綠石相這一副相的存在往往會(huì)對(duì) 陶瓷的最終微波介電性能產(chǎn)生嚴(yán)重的惡化作用。因?yàn)榻咕G石相往往具有大的諧振頻率溫度 系數(shù)和極低的Qf值。但本發(fā)明的復(fù)相陶瓷中的焦綠石相卻具有很高的Qf值和大的相對(duì) 介電常數(shù)，對(duì)最終陶瓷的Qf值和介電常數(shù)起到有益的貢獻(xiàn)。并且，通過合理地控制陶瓷中 鈣鈦礦相和焦綠石相的相對(duì)含量，即可用前者的負(fù)溫度系數(shù)去"中和"后者的大的正溫度系 數(shù)，從而得到溫度穩(wěn)定性良好的微波介質(zhì)陶瓷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種具有復(fù)相結(jié)構(gòu)、中等介電常數(shù)、低損耗、溫度特性穩(wěn)定的微波介質(zhì) 陶瓷及其制備方法。 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的該復(fù)相陶瓷采用(li) (Cai—xSrx) (Al。.25Ta。.25Ti。.5) 03+wCa2Nb207(0《x《0. 5，0《w《0. 2)為化學(xué)配比通式，采用調(diào)節(jié)鈣鈦礦相中A位Ca2+、 Sr2+離子的相對(duì)摩爾含量(x值)或調(diào)節(jié)兩種物質(zhì)的相對(duì)摩爾含量(w值)，從而調(diào)節(jié)最終陶 瓷中主相與副相的相對(duì)含量，來裁剪其微波介電性能。并且，針對(duì)同一化學(xué)成分，可采用調(diào) 節(jié)燒結(jié)溫度來優(yōu)化最終陶瓷樣品的品質(zhì)因數(shù)Qf值及諧振頻率溫度系數(shù)特性。
本發(fā)明的制備工藝步驟為 1 、采用高純CaC03 (99 . 0%)、 SrC03 (99 . 0 % ) A1203 ( > 99. 5 % ) 、 Ta205 (99.99%)、 Nb205(99. 5% )和Ti。2(99. 0% )等粉體為原料，并分別按照(Ca卜xSrx) (Al。.25Ta。.25Ti。.5)0^P Ca2Nb207兩種化學(xué)式用電子天平進(jìn)行精確地稱量配料。
2、原料粉末混合后，按照料球水體積比i : i : i的原則，加入去離子水，在
行星球磨機(jī)上球磨5小時(shí)混合均勻。 3、漿料烘干后過60目篩，獲得粒徑分布相對(duì)均勻的混合粉末。
4、兩種物料分別在空氣中130(TC及125(TC下預(yù)燒2h 6h。 5、預(yù)燒后的粉末按照(li) (Cai—xSrx) (Al。.25Ta。.25Ti。.5)03+WCa2Nb207的化學(xué)配比， 再次精確稱量混合，并按步驟2中的原則與去離子水及l(fā)wt^的表面活性劑一起球磨5小 時(shí)，烘干后得到最終均勻的預(yù)處理粉末。 6、再加入適量的5wt% PVA作為粘合劑，混合均勻后過40目篩形成尺寸 均勻流動(dòng)性好的球形顆粒。這些經(jīng)過造粒的粉料，在150MPa的單軸壓力下壓制成
014mmX (6 8mm)的圓柱形試樣。最后圓柱坯體在1400 152(TC的空氣中燒結(jié)3 12小時(shí)，制成致密的陶瓷樣品。 陶瓷樣品的物相組成采用XRD(BRUKE， D8)測(cè)試，所制得樣品的表面及內(nèi)部的微觀 形貌采用掃描電子顯微鏡SEM觀察，并用EDS對(duì)晶粒及晶界處的組成進(jìn)行化學(xué)成分分析，確 定復(fù)相陶瓷顆粒的化學(xué)組成。樣品表面經(jīng)打磨拋光后采用Hakki-Coleman開式腔圓柱介質(zhì) 諧振法，并連接雙端口微波網(wǎng)絡(luò)分析儀(ADVANTEST R3767C)，根據(jù)TE。n諧振模的峰位及相 應(yīng)的微波測(cè)試軟件來計(jì)算微波介質(zhì)參數(shù)、及Qf值。諧振頻率溫度系數(shù)的測(cè)量是通過數(shù) 字溫控恒溫箱在25 9(TC條件下獲得。 用本發(fā)明的配方及工藝制備的微波介質(zhì)陶瓷具有超低的微波介電損耗，穩(wěn)定的諧 振頻率溫度系數(shù)，特別是超過50的相對(duì)介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。
附圖及說明

圖1為6 8號(hào)樣品的XRD圖譜，
圖2為7號(hào)陶瓷樣品的表面晶粒形貌，
圖3為7號(hào)陶瓷樣品內(nèi)部晶粒形貌。
具體實(shí)施例方式
復(fù)相陶瓷的制備:采用高純CaC03(99 . 0% )、 SrC03(99 . 0% )A1203( > 99.5% )、Ta205(99. 99% ) 、 Nb205(99. 5% )和Ti02(99. 0% )等粉體為原料，首先分別按照(Ca卜xSrx) (Al。.25Ta。.25Ti。.5)03(x值按表1確定)和Ca2Nb207兩種化學(xué)式，用電子天平進(jìn)行精確地稱量 配料，原料粉末混合后按上述步驟2中的原則加去離子水，在行星球磨機(jī)上球磨5小時(shí)混合 均勻。漿料烘干后過60目篩，獲得粒徑分布相對(duì)均勻的混合粉末。兩種物料分別在空氣 中130(TC及125(TC下預(yù)燒2h 6h。預(yù)燒后的粉末按照xSrx) (Al。.25Ta。.25Ti0.5) 03+界&2吣207 值按表1確定)再次精確稱量混合，并與去離子水及l(fā)wt^的表面活性劑一 起球磨5h，烘干后得到最終的預(yù)處理粉末。再加入適量的5wt% PVA作為粘合劑，經(jīng)過造粒
后的粉料在150MPa的單軸壓力下壓制成0l4mmX (6 8mm)的圓柱形試樣。最后圓柱
坯體在1400 152(TC的空氣中燒結(jié)3 12小時(shí)，制成致密的陶瓷樣品。
陶瓷樣品經(jīng)檢測(cè)，其微波介電性能結(jié)果見表一。 表一 (li) (Ca卜xSrx) (Al。.25Ta。.25Ti。.5)03+WCa2Nb207實(shí)驗(yàn)樣品的化學(xué)配比及微波 介電性能。樣品X值w值燒結(jié)溫度相對(duì)介品質(zhì)因溫度系數(shù)
編號(hào)Onol)(mol)士5(。C )電常數(shù)數(shù)(GHz)(ppm/°C )
1#00152025.128970-79.52#0.10150029.5113250-65.73#0.10. 05150032.2217450-21.14#0.20148031.5915560-50.15#0.20. 05148038.8517740-13.56#0.20. 1145051.4720430+37.77#0.20. 1148052.1130120+15.48#0.20. 1152053.6227340+29.59#0.20. 2148060.3722320+86.510#0.30. 05145042.1415120+17.511#0.40. 05145048.2529870+29.612#0.450142042.2617670+13.313#0.450. 1142054.1721870+65.214#0.50. 05140053.2624250+54.5 本發(fā)明通過形成復(fù)相陶瓷，可以有效地提高體系的相對(duì)介電常數(shù)，并通過主相與 副相的諧振頻率溫度系數(shù)相互補(bǔ)償?shù)玫綔囟认禂?shù)穩(wěn)定的(li) (Cai—xSrx) (Al。.25Ta。.25Ti。.5) 03+wCa2Nb207陶瓷材料。其中，制備出的7號(hào)樣品(x = 0. 2， w = 0. l，燒結(jié)溫度為1480±5°C ) 微波介電性能為最佳，可達(dá)到相對(duì)介電常數(shù)、=52. 11 ;品質(zhì)因數(shù)Qf = 30120GHz ;諧振 頻率溫度系數(shù)t f = 15. 4ppm/°C 。 本發(fā)明所提供的這種新型低損耗、中介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料可廣泛地應(yīng)用于 制備L波段 X波段的微波基站諧振器、無繩電話濾波器、微波合路器及微波震蕩器等通訊 元件中，具有極大的工程價(jià)值。
權(quán)利要求
一種具有復(fù)相結(jié)構(gòu)低損耗微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于采用(1-w)(Ca1-xSrx)(Al0.25Ta0.25Ti0.5)O3+wCa2Nb2O7為化學(xué)配比通式，式中0≤x≤0.5，0≤w≤0.2，并通過燒結(jié)最終形成鈣鈦礦相、焦綠石相共存的復(fù)相陶瓷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有復(fù)相結(jié)構(gòu)低損耗微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于所述的 化學(xué)配比通式為(1-w) (Ca。.8Sr。.2) (Al。.25Ta。.25Ti。.5)03+0. lCa2Nb207，燒結(jié)溫度為1480±5°C。
3. —種具有復(fù)相結(jié)構(gòu)低損耗微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于工藝步驟為1) 、采用高純CaC03 (99 . 0 % ) 、 SrC03 (99 . 0 % ) A1203 ( > 99. 5 % ) 、 Ta205 (99. 99 % )、 Nb205(99. 5% )和Ti02(99. 0% )等粉體為原料，并分別按照(Ca卜xSrx) (Al。.25Ta。.25Ti。.25)03 和Ca2Nb207兩種化學(xué)式，用電子天平進(jìn)行精確地稱量配料，2) 、原料粉末混合后，按照料球水體積比i : i : i的原則，加入去離子水，在行星球磨機(jī)上球磨5h混合均勻，3) 、漿料烘干后過60目篩，獲得粒徑分布相對(duì)均勻的混合粉末，4) 、兩種混合粉末分別在空氣中130(TC及125(TC下預(yù)燒2h 6h，5) 、預(yù)燒后的粉末按照(1-w) (Cai—xSrx) (Al。.25Ta。.25Ti。.5)03+WCa2Nb207的化學(xué)配比再次精確稱量混合，并按照料球水體積比i : i : i的原則加入去離子水及l(fā)wt^的表面活性劑一起球磨5h，烘干后得到最終的預(yù)處理粉末，6) 、再加入適量的5wt% PVA作為粘合劑，混合均勻并過40目篩形成尺寸均勻流動(dòng)性好 的球形顆粒，并在150MPa的單軸壓力下壓制成0l4mmX (6 8mm)的圓柱形試樣。最后 圓柱坯體在1400 152(TC的空氣中燒結(jié)3 12小時(shí)，制成致密的陶瓷樣品。
全文摘要
本發(fā)明提出一種具有復(fù)相結(jié)構(gòu)、中等介電常數(shù)、低損耗、溫度特性穩(wěn)定的微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。該陶瓷的化學(xué)配比通式為(1-w)(Ca1-xSrx)(Al0.25Ta0.25Ti0.5)O3+wCa2Nb2O7，其中，0≤x≤0.5，0≤w≤0.2。經(jīng)過燒結(jié)，最終陶瓷形成同時(shí)含有以鈣鈦礦為主相，以焦綠石相和其它物相為副相的復(fù)相陶瓷。通過調(diào)節(jié)該陶瓷化學(xué)配比通式中的x值和w值可控制最終陶瓷中主、副相的相對(duì)含量，從而對(duì)其微波介電性能進(jìn)行裁剪，并通過調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度可進(jìn)一步優(yōu)化其微波介電性能。本發(fā)明中當(dāng)x＝0.2，w＝0.1，燒結(jié)溫度為1480±5℃時(shí)，可制備出相對(duì)介電常數(shù)εr＝52.11，品質(zhì)因數(shù)Qf＝30120GHz，諧振頻率溫度系數(shù)τf＝15.4ppm/℃的性能優(yōu)異的微波介電陶瓷材料。該材料可廣泛地應(yīng)用于L波段~X波段的微波基站諧振器、無繩電話濾波器、微波合路器及微波震蕩器等通訊元件中。
文檔編號(hào)C04B35/495GK101786879SQ20101002890
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者付洋, 羅春婭, 胡明哲, 顧豪爽 申請(qǐng)人:湖北大學(xué)