一種溫度穩(wěn)定型超低介電常數(shù)微波介電陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可低溫燒結的超低介電常數(shù)微波介電陶瓷Li2TiWO5F2及其制備方法。（1）將純度為99.9%（重量百分比）以上的LiF、TiO2和WO3的原始粉末按Li2TiWO5F2的組成稱量配料；（2）將步驟（1）原料濕式球磨混合12小時，球磨介質為蒸餾水，烘干后在800℃大氣氣氛中預燒6小時；（3）在步驟（2）制得的粉末中添加粘結劑并造粒后，再壓制成型，最后在870~900℃大氣氣氛中燒結4小時；所述的粘結劑采用質量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量占粉末總質量的3%。本發(fā)明制備的陶瓷在870~900℃燒結良好，介電常數(shù)達到6.9～7.7，其品質因數(shù)Qf值高達62400-72900GHz，諧振頻率溫度系數(shù)小，在工業(yè)上有著極大的應用價值。
【專利說明】-種溫度穩(wěn)定型超低介電常數(shù)微波介電陶瓷及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及介電陶瓷材料，特別是涉及用于制造微波頻率使用的陶瓷諧振器與濾 波器等微波元器件的介電陶瓷材料及其制備方法。

【背景技術】
[0002] 微波介電陶瓷是指應用于微波頻段(主要是UHF和SHF頻段)電路中作為介質材料 并完成一種或多種功能的陶瓷，在現(xiàn)代通訊中被廣泛用作諧振器、濾波器、介質基片和介質 導波回路等元器件，是現(xiàn)代通信技術的關鍵基礎材料，已在便攜式移動電話、汽車電話、無 繩電話、電視衛(wèi)星接受器和軍事雷達等方面有著十分重要的應用，在現(xiàn)代通訊工具的小型 化、集成化過程中正發(fā)揮著越來越大的作用。
[0003] 應用于微波頻段的介電陶瓷，應滿足如下介電特性的要求：（1)系列化介電常數(shù) ε ^以適應不同頻率及不同應用場合的要求；（2)高的品質因數(shù)Q值或低的介質損耗tan δ 以降低噪音，一般要求Qf彡3000 GHz; (3)諧振頻率的溫度系數(shù)^盡可能小以保證器件 具有好的熱穩(wěn)定性，一般要求-10 ppm /°C< τ，<+]_〇 ppm/°c。國際上從20世紀30年 代末就有人嘗試將電介質材料應用于微波技術，并制備出TiO2微波介質濾波器，但其諧振 頻率溫度系數(shù)^太大而無法實用化。上世紀70年代以來，開始了大規(guī)模的對介質陶瓷材 料的開發(fā)工作，根據(jù)相對介電常數(shù)L的大小與使用頻段的不同，通?？蓪⒁驯婚_發(fā)和正 在開發(fā)的微波介質陶瓷分為4類。
[0004] (1)超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，主要代表是Al203-Ti0 2、Y2BaCu05、MgAl2O4和 Mg2SiO4等，其20,品質因數(shù)QXf 3 50000GHz，10 ppm/° C。主要用于微波基 板以及高端微波元器件。
[0005] (2)低ε r和高Q值的微波介電陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta2O5, BaO-ZnO-Ta2O5或 BaO-MgO-Nb2O5, BaO-ZnO-Nb2O5系統(tǒng)或它們之間的復合系統(tǒng)MWDC材料。其ε ^20?35， Q=(l?2) X 104(在f彡10 GHz下），τ , ^ 〇。主要應用于f彡8 GHz的衛(wèi)星直播等微波 通信機中作為介質諧振器件。
[0006] (3)中等L和Q值的微波介電陶瓷，主要是以BaTi409、Ba2Ti 9O2tl和（Zr、Sn) TiO4 等為基的MWDC材料，其= 35?45, Q= (6?9) XlO3 (在f=3?一4GHz下)，5 ppm/° C。主要用于4?8 GHz頻率范圍內(nèi)的微波軍用雷達及通信系統(tǒng)中作為介質諧振器 件。
[0007] (4)高L而Q值較低的微波介電陶瓷，主要用于0.8?4GHz頻率范圍內(nèi)民用移 動通訊系統(tǒng)，這也是微波介電陶瓷研究的重點。80年代以來，Kolar、Kato等人相繼發(fā)現(xiàn)并 研究了類鈣鈦礦鎢青銅型BaO - Ln2O3 - TiO2系列（Ln=La、Sm、Nd或Pr等，簡稱BLT系）、 復合f丐欽礦結構CaO -Li2O一Ln2O3一TiO2系列、鉛基系列材料、CahLn 2xjZ3TiO3系等商ε ^微 波介電陶瓷，其中BLT體系的BaO - Nd2O3 - TiO2材料介電常數(shù)達到90,鉛基系列（Pb, Ca) ZrO3介電常數(shù)達到105。
[0008] 以上這些材料體系的燒結溫度一般高于1300° C，不能直接與Ag和Cu等低 烙點金屬共燒形成多層陶瓷電容器。近年來，隨著低溫共燒陶瓷技術（Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)的發(fā)展和微波多層器件發(fā)展的要求，國內(nèi)外的研究人員對一些 低燒體系材料進行了廣泛的探索和研究，主要是采用微晶玻璃或玻璃-陶瓷復合材料體 系，因低熔點玻璃相具有相對較高的介質損耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介質損耗。 因此研制無玻璃相的低燒微波介質陶瓷材料是當前研究的重點。
[0009] 在探索與開發(fā)新型可低燒微波介電陶瓷材料的過程中，固有燒結溫度低的Li基 化合物、Bi基化合物、鎢酸鹽體系化合物和碲酸鹽體系化合物等材料體系得到了廣泛關注 與研究，但是由于微波介電陶瓷的三個性能指標（L與Q*f和τρ之間是相互制約的關 系(見文獻：微波介質陶瓷材料介電性能間的制約關系，朱建華，梁飛，汪小紅，呂文中，電 子元件與材料，2005年3月第3期)，滿足三個性能要求且可低溫燒結的單相微波介質陶 瓷非常少，主要是它們的諧振頻率溫度系數(shù)通常過大或者品質因數(shù)偏低而無法實際應用要 求。目前對微波介質陶瓷的研究大部分是通過大量實驗而得出的經(jīng)驗總結，卻沒有完整的 理論來闡述微觀結構與介電性能的關系，因此，在理論上還無法從化合物的組成與結構上 預測其諧振頻率溫度系數(shù)和品質因數(shù)等微波介電性能，這在很大程度上限制了低溫共燒技 術及微波多層器件的發(fā)展。探索與開發(fā)既能低溫燒結同時具有近零諧振頻率溫度系數(shù)與較 高品質因數(shù)的超低介電常數(shù)微波介電陶瓷是本領域技術人員一直渴望解決但始終難以獲 得成功的難題。
[0010] 我們對組成 K2TiW05F2、Li2TiW05F 2、Na2TiWO5F2 以及 Li2TiMoO5F2 的系列化合物進行 了微波介電性能的研究，發(fā)現(xiàn)它們的燒結溫度都低于950°C，但只有Li2TiWO 5F2具有近零諧 振頻率溫度系數(shù)與較高品質因數(shù)，并且屬于超低介電常數(shù)微波介電陶瓷。然而K 2TiWO5F2與 Na2TiWO5F2陶瓷的諧振頻率溫度系數(shù)偏大（τ丨分別為-66 ppm/°C和-37 ppm/°C )，而且介 電常數(shù)為21至24,屬于低介電常數(shù)微波介電陶瓷，而Li2TiMoO5F 2的介電損耗太大而無法作 為微波介電陶瓷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是提供一種具有良好的熱穩(wěn)定性與低損耗，同時可低溫燒結的超低 介電常數(shù)微波介電陶瓷材料及其制備方法。
[0012] 本發(fā)明的微波介電陶瓷材料的化學組成為Li2TiW05F 2。
[0013] 本微波介電陶瓷材料的制備方法步驟為： (1)將純度為99. 9% (重量百分比）以上的LiFJiO2和WO3的原始粉末按Li2TiWO 5F2的 組成稱量配料。
[0014] (2)將步驟（1)原料濕式球磨混合12小時，球磨介質為蒸餾水，烘干后在800°C大 氣氣氛中預燒6小時。
[0015] (3)在步驟（2)制得的粉末中添加粘結劑并造粒后，再壓制成型，最后在 87(T900°C大氣氣氛中燒結4小時；所述的粘結劑采用質量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，聚乙 烯醇添加量占粉末總質量的3%。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點=Li2TiWO5F2陶瓷燒結溫度低，原料成本低；介電常數(shù)達到6. 9? 7. 7,其諧振頻率的溫度系數(shù)^小，溫度穩(wěn)定性好；品質因數(shù)Qf值高達62400-72900GHZ，可 廣泛用于各種介質諧振器和濾波器等微波器件的制造，可滿足低溫共燒技術及微波多層器 件的技術需要，在工業(yè)上有著極大的應用價值。

【具體實施方式】
[0017] 實施例： 表1示出了構成本發(fā)明的不同燒結溫度的3個具體實施例及其微波介電性能。其制備 方法如上所述，用圓柱介質諧振器法進行微波介電性能的評價。
[0018] 本陶瓷可廣泛用于各種介質諧振器和濾波器等微波器件的制造，可滿足移動通信 和衛(wèi)星通信等系統(tǒng)的技術需要。
[0019] 表1:

【權利要求】
1. 一種具有近零諧振頻率溫度系數(shù)與高品質因數(shù)的超低介電常數(shù)微波介電陶瓷及其 制備方法，其特征在于所述微波介電陶瓷的化學組成為：Li2TiWO5F2 ; 所述微波介電陶瓷的制備方法具體步驟為： (1) 將純度為99. 9% (重量百分比）以上的LiFJiO2和WO3的原始粉末按Li2TiWO 5F2的 組成稱量配料； (2) 將步驟（1)原料濕式球磨混合12小時，球磨介質為蒸餾水，烘干后在800°C大氣氣 氛中預燒6小時； (3) 在步驟（2)制得的粉末中添加粘結劑并造粒后，再壓制成型，最后在87(T900°C大 氣氣氛中燒結4小時；所述的粘結劑采用質量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇添加量 占粉末總質量的3%。
【文檔編號】C04B35/622GK104311019SQ201410534052
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月12日 優(yōu)先權日:2014年10月12日
【發(fā)明者】蘇聰學, 徐軍古, 鞏美露 申請人:桂林理工大學