專(zhuān)利名稱(chēng)：一種中介微波介質(zhì)材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波介質(zhì)材料制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種諧振頻率溫度系數(shù)低的中介微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，終端設(shè)備的便攜化、微型化、高穩(wěn)定、片式化及低成本化已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。其中，包括多層濾波器、雙工器、片式天線等在內(nèi)的多層片式微波器件得到了很快的發(fā)展。多層微波器件發(fā)展的同時(shí)也對(duì)微波介質(zhì)陶瓷提出了更高的要求。微波元器件的多層片式化，需要微波介質(zhì)材料能與高電導(dǎo)率的金屬電極如Pt，Pd， Au, Cu, Ag等共燒。從經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境保護(hù)角度考慮，一般采用高電導(dǎo)的Cu或Ag作為電極材料，因此，研究能夠與Cu或Ag共燒的低燒結(jié)溫度的微波介質(zhì)陶瓷(LTCC)材料具有廣闊的應(yīng)用前景。作為L(zhǎng)TCC材料，除了要求合適的介電常數(shù)(、)、低的介電損耗(高Q*f值) 以及小的諧振頻率溫度系數(shù)(Tf)，還要求低的燒結(jié)溫度。作為內(nèi)電極的Cu和Ag電極的燒結(jié)溫度低，分別為1064°C和961°C，但是，目前大多數(shù)商用微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度均在 1200 1500°C，如 Ba2Ti9O20^BaTi4O9, (Pb，Ca) (Zr, Ti) O3 以及(Zn，Sn) TiO4,它們的燒結(jié)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Cu、Ag的熔點(diǎn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)與賤金屬共燒，必須尋找低溫?zé)Y(jié)材料或?qū)ΜF(xiàn)有的材料進(jìn)行低溫化。目前，國(guó)內(nèi)外科技人員為了降低微波介質(zhì)陶瓷材料的燒結(jié)溫度，采用的傳統(tǒng)的方法一般有三種摻加適當(dāng)?shù)难趸锘蛘叩腿埸c(diǎn)玻璃等燒結(jié)助劑、采用化學(xué)合成方法和使用超細(xì)粉體作起始原料以及選用固有燒結(jié)溫度低的材料體系。盡管氧化物或低熔點(diǎn)玻璃的摻加可以有效的降低陶瓷材料的燒結(jié)溫度，但由于對(duì)目前許多的微波介質(zhì)材料需摻加的量比較大，從而對(duì)材料的微波介電性能帶來(lái)了不同程度的損壞；采用化學(xué)合成方法則需要復(fù)雜的處理步驟，會(huì)大大增加微波介質(zhì)元器件的生產(chǎn)成本和時(shí)間。而且很多采用上述方法制得的微波介質(zhì)陶瓷，其燒結(jié)溫度仍舊偏高?？偟膩?lái)說(shuō)，由于研究的材料體系本身特性的原因， 存在燒結(jié)溫度高，材料低溫化與介電性能不能兼?zhèn)?，介電常?shù)范圍窄，難與高電導(dǎo)的Ag或 Cu等賤金屬或其合金進(jìn)行共燒等問(wèn)題，真正產(chǎn)業(yè)化的低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料很少，阻礙了多層微波器件的發(fā)展。因此對(duì)本身具有低燒結(jié)溫度的微波介質(zhì)材料體系進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)研究引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的極大興趣。最近，具有中等介電常數(shù)的Li2O-Nb2O5-TiO2體系陶瓷材料，由于其具有低的固有燒結(jié)溫度( 1100°C )以及良好的微波介電性能(ε r :30 65，Q*f 5000 8000GHz)， 引起了研究者的廣泛關(guān)注，但是目前對(duì)該材料的低溫?zé)Y(jié)研究還不多。少量文獻(xiàn)報(bào)道的低溫?zé)Y(jié)的材料性能還不是很好，尤其是低溫?zé)Y(jié)后，材料的諧振頻率溫度系數(shù)τ f值得以惡化，還很難滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。文獻(xiàn)中報(bào)道，在具有中等介電常數(shù)的5Li20-Nb205_5Ti02材料中，單一地外摻化03或V2O5，材料燒結(jié)溫度降低，但降低燒結(jié)溫度后，材料的微波介電介電性能，尤其諧振頻率溫度系數(shù)惡化，高達(dá)40ppm/°C以上。由此可見(jiàn)，對(duì)中介L(zhǎng)NT材料的低溫?zé)Y(jié)還很不完善，還需要進(jìn)一步摸索合適的方法來(lái)改善其工藝與性能，尤其改善材料的諧振頻率溫度系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是從微波器件的多層片式化對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料的要求出發(fā)，提供一種具有近零諧振頻率溫度系數(shù)的中介微波介質(zhì)陶瓷材料，本發(fā)明選擇固有燒結(jié)溫度低的Li2O-Nb2O5-TW2體系，并對(duì)其進(jìn)行摻雜ZnO與化03的低溫?zé)Y(jié)研究，其燒結(jié)溫度為 840 940"C。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述材料的制備方法。本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供上述材料在多層片式微波器件中的應(yīng)用。一種中介微波介質(zhì)材料，其原料由以下組分組成=Li2O-Nb2O5-TiO2體系100重量份，ZnO :0· 5 8重量份，B2O3 :0· 5 2重量份，所述的Li2O-Nb2O5-TiO2體系中Li2CO3為O5與TiO2的摩爾比為5 χ y，其中 1 彡 χ < 2，4 < y < 6。上述一種中介微波介質(zhì)材料的制備方法，包括以下操作步驟(1)按下列重量百分比的組分進(jìn)行備料=Li2O-Nb2O5-TiO2體系100重量份，ZnO 0. 5 8重量份，B2O3 :0. 5 2重量份；(2)將Li2O-Nb2O5-TiO2體系與ZnO混和，在得到的混合料中加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕法球磨，混合料與球磨介質(zhì)的重量比為1 (0.6 2)，60-100°C烘干，在800-900°C預(yù)燒 2-8h ；(3)在步驟⑵得到的預(yù)燒后的粉料中加入化03 ；(4)在步驟C3)得到的混合料中加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕法球磨，混合料與球磨介質(zhì)的重量比為1 (0.6 2)，60-100°C烘干，加入烘干后物料重量的2 8%的粘結(jié)劑，在 80-150Mpa的壓力下成型，在840_950°C燒結(jié)，保溫l_4h，得到本發(fā)明材料。為了更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明步驟⑵和步驟(4)中所述的球磨介質(zhì)優(yōu)選乙醇或去離子水。步驟(2)和步驟中所述的球磨條件為轉(zhuǎn)速200-400r/min，時(shí)間18_3他。步驟中所述的粘結(jié)劑為聚乙烯醇溶液，加入量為烘干后物料重量的5%。所述的聚乙烯醇溶液為質(zhì)量濃度20 30%的聚乙烯醇水溶液或聚乙烯醇酒精溶液。步驟⑷中所述的燒結(jié)溫度優(yōu)選900°C。上述中介微波介質(zhì)材料在多層片式微波器件中的應(yīng)用。本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想在于根據(jù)Li2O-Nb2O5-TiO2H元相圖(見(jiàn)附圖1) “M_相”及 Li2TiO3固溶體(Li2TiO3SS)兩相共存的區(qū)域選擇材料配方為L(zhǎng)i2C03、Nb2O5與TW2物質(zhì)的摩爾量之比為5 χ y，其中1彡x<2，4<y<6。由于ZnO的加入，材料中出現(xiàn)了其他雜相，在XRD圖譜以及SEM、EDS能譜圖中都可以明顯看出材料中存在雜相?？赡苡捎陔s相的產(chǎn)生，而使材料的諧振頻率溫度系數(shù)得以改善。上述方法制備得到的中介微波介質(zhì)材料，介電常數(shù)ε ,在30 50之間可調(diào)，品質(zhì)因數(shù)Q*f值范圍在7000 9000GHz，諧振頻率溫度系數(shù)范圍在-10ppm/°C 10ppm/°C，并且燒結(jié)溫度低(范圍在840 940°C)的微波介質(zhì)陶瓷材料，該性能達(dá)到甚至優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類(lèi)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)材料的水平，促進(jìn)了我國(guó)多層微波頻率器件的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)(1)配方中添加&10，同時(shí)摻雜化03降低燒結(jié)溫度，并改善諧振頻率溫度系數(shù)，使材料的燒結(jié)溫度降至840 940°C，諧振頻率溫度系數(shù)在-10ppm/°c 10ppm/°C，可采用高電導(dǎo)率、賤金屬Ag作為多層頻率器件的內(nèi)電極。(2)原料在840 940°C燒結(jié)，其產(chǎn)物仍具有優(yōu)異的微波介電性能介電常數(shù)ε r 在30 50之間可調(diào)，品質(zhì)因數(shù)Q*f值范圍在7000 9000GHz，諧振頻率溫度系數(shù)范圍在-IOppm/°C IOppm/"C。(3)低的燒結(jié)溫度、適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)、高的品質(zhì)因素以及小的溫度系數(shù)，能很好的滿(mǎn)足目前對(duì)低溫共燒微波介電陶瓷的需求。(4)材料燒結(jié)時(shí)間短，工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、重復(fù)性好，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為1100°C的Li2O-Nb2O5-TiR三元相圖；其中M相與Li2TiO3SS兩相共存區(qū)圖中箭頭所指標(biāo)號(hào)為2的區(qū)域；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中在900°C燒結(jié)的樣品的XRD圖譜；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中在900°C燒結(jié)的樣品的顯微結(jié)構(gòu)；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中在900°C燒結(jié)的樣品的顯微結(jié)構(gòu)；圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中在900°C燒結(jié)的樣品的掃描電鏡SEM及電子能譜EDS圖譜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1本實(shí)施例的原料配方為100重量份Li2O-Nb2O5-TiA體系(Li2C03、Nb205和TW2摩爾比為1 0. 2 1)，添加2重量份&10，再外加1重量份化03為燒結(jié)助劑。制備步驟為(1)將Li2CO3^ Nb2O5和TiO2按摩爾比1 0. 2 1稱(chēng)量，并稱(chēng)取2重量份ZnO,按混合料與乙醇的重量比為1 1.0加入乙醇，在轉(zhuǎn)速為200r/min的滾動(dòng)磨中混合36h，60°C 烘干，然后將干燥粉料用瑪瑙研缽磨細(xì)，裝入高鋁坩堝內(nèi)，在800°C預(yù)燒他。(2)預(yù)燒后粉料加入1重量份化03，按混合料與乙醇的重量比為1 1.2，加入乙醇，在轉(zhuǎn)速為200r/min滾動(dòng)磨混合36h，60°C烘干待用，在所得粉體中加入5wt%聚乙烯醇 PVA水溶液(質(zhì)量濃度20% )造粒，在80Mpa的壓力下壓制成直徑16mm，厚度7 8mm的小圓柱片，在840-950°C燒結(jié)，保溫4h，所得陶瓷片經(jīng)砂紙磨平后待測(cè)試。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀，根據(jù)HaWd-Colemen測(cè)定介電常數(shù)ε,和品質(zhì)因數(shù)Q。對(duì)在900°C燒結(jié)的陶瓷片進(jìn)行諧振頻率溫度系數(shù)τ f的測(cè)量。τ f由下列公式計(jì)算= Tf= (f85-f_25)/(f25*110)ppm/°C，其中f85， f-25分別為85°C和_25°C下的諧振中心頻率。該組成瓷料在不同燒結(jié)溫度下的密度及微波介電性能如表一。900°C燒結(jié)的陶瓷片XRD圖譜見(jiàn)圖2，從圖1可見(jiàn)，陶瓷片中除了 “M-相” 及“Li2Ti03ss”兩相外，還存在其他的雜相。900°C燒結(jié)的陶瓷片顯微結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，圖3顯示出致密均勻的組織結(jié)構(gòu)。表一實(shí)施例1不同燒結(jié)溫度下的密度和微波介電性能
權(quán)利要求
1.一種中介微波介質(zhì)材料，其特征在于所述的中介微波介質(zhì)材料的原料由以下組分組成=Li2O-Nb2O5-TiO2體系100重量份，ZnO :0. 5 8重量份，B2O3 :0. 5 2重量份，所述的Li2O-Nb2O5-TiO2體系中Li2C03、Nb205與TiO2的摩爾比為5 χ y，其中1彡χ < 2，4 < y < 6。
2.權(quán)利要求1所述的一種中介微波介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于包括以下操作步驟(1)按下列重量百分比的組分進(jìn)行備料=Li2O-Nb2O5-TiO2體系100重量份，ZnO:0. 5 8重量份，B2O3 :0. 5 2重量份；(2)將Li2O-Nb2O5-TW2體系與ZnO混和，在得到的混合料中加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕法球磨，混合料與球磨介質(zhì)的重量比為1 (0. 6 2)，60-100°C烘干，在800-900°C預(yù)燒2_8h ；(3)在步驟⑵得到的預(yù)燒后的粉料中加入化03；(4)在步驟C3)得到的混合料中加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕法球磨，混合料與球磨介質(zhì)的重量比為1 (0.6 2)，60-100°C烘干，加入烘干后物料重量的2 8%的粘結(jié)劑，在 80-150Mpa的壓力下成型，在840_950°C燒結(jié)，保溫l_4h，得到本發(fā)明材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中介微波介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于步驟(2) 和步驟中所述的球磨介質(zhì)為乙醇或去離子水。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中介微波介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于步驟(2) 和步驟中所述的球磨條件為轉(zhuǎn)速200-400r/min，時(shí)間18_3他。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中介微波介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于步驟(4) 中所述的粘結(jié)劑為聚乙烯醇溶液，加入量為烘干后物料重量的5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中介微波介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于所述的聚乙烯醇溶液為質(zhì)量濃度20 30%的聚乙烯醇水溶液或聚乙烯醇酒精溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中介微波介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于步驟(4) 中所述的燒結(jié)溫度為900°C。
8.權(quán)利要求1所述一種中介微波介質(zhì)材料在多層片式微波器件中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種中介微波介質(zhì)材料，其原料由100重量份的Li2O-Nb2O5-TiO2體系，0.5～8重量份的ZnO，0.5～2重量份B2O3，其制備方法包括將Li2O-Nb2O5-TiO2體系與ZnO混和，在得到的混合料中加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕法球磨，混合料與球磨介質(zhì)的重量比為1∶(0.6～2)，60-100℃烘干，在800-900℃預(yù)燒2-8h，然后加入B2O3，再加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕法球磨，混合料與球磨介質(zhì)的重量比為1∶(0.6～2)，60-100℃烘干，加入2～8wt.％的粘結(jié)劑，在80-150Mpa的壓力下成型，在840-950℃燒結(jié)，保溫1-4h，得到本發(fā)明材料。本發(fā)明改善了諧振頻率溫度系數(shù)，使材料的燒結(jié)溫度降至840～940℃，諧振頻率溫度系數(shù)在-10ppm/℃～10ppm/℃，可采用高電導(dǎo)率、賤金屬Ag作為多層頻率器件的內(nèi)電極。
文檔編號(hào)C04B35/462GK102276251SQ20111013557
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者曾群 申請(qǐng)人:英德市奧勝新材料有限公司