專利名稱：一種低損耗、高介電可調(diào)鈦酸鍶鋇基陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低損耗、高介電可調(diào)鈦酸鍶鋇陶瓷材料及其制備方法，尤其涉及一種具有低損耗，介電常數(shù)隨外加直流電場(chǎng)變化大，適合于可調(diào)微波器件的微波介質(zhì)陶瓷鐵電移相器材料。
背景技術(shù)：
BaxSr1^xTiO3 (BST)是BaTiO3和SrTiO3的無限固熔體，在可調(diào)器件中有著潛在的應(yīng)用價(jià)值，如體積小而容量大的微型電容器、調(diào)諧微波器件、鐵電移相器等。鈦酸鍶鋇材料被普遍認(rèn)為是最有前途的鐵電移相材料，在作為微波可調(diào)器件方面(如移相器、濾波器、可變電容器以及延遲線等)得到日益廣泛關(guān)注，尤其在作為微波移相器方面更是目前研究的熱點(diǎn)。1994年，美國(guó)國(guó)家軍事研究實(shí)驗(yàn)室材料部L. C. Sengupta和美國(guó)軍事研究實(shí)驗(yàn)室微波與光電部W. C. Drach，在向美國(guó)軍事部門提交的“鈦酸鍶鋇(BST)移相器材料電學(xué)特性”的調(diào)查報(bào)告中提出，如果BST鐵電材料能夠取代鐵氧體材料制作移相器，相控陣?yán)走_(dá)天線將面臨一場(chǎng)巨大的革命。然而具有高介電常數(shù)的BST陶瓷材料很難滿足與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗匹配和高功率器件的應(yīng)用要求，這大大限制了其在微波可調(diào)器件領(lǐng)域的應(yīng)用。為解決上述技術(shù)難點(diǎn)，許多研究者主要通過離子摻雜的方式，使得摻雜離子進(jìn)入材料的晶格結(jié)構(gòu)中，引起材料微觀結(jié)構(gòu)的改變，有效地調(diào)整和改進(jìn)材料的相關(guān)性能，從而達(dá)到降低介電常數(shù)和微波頻段下介電損耗，使其可用于微波可調(diào)器件。Sengupta等已對(duì)BST 與各種氧化物進(jìn)行摻雜研究，如MgO、AI203、La2O3等，結(jié)果表明這些氧化物的加入在一定程度上降低了材料的介電損耗，并具有一定的可調(diào)率。其中Herner等人系統(tǒng)研究了化學(xué)計(jì)量比摻0. Olmol% Bi203、Fe203> MnO2的BST陶瓷，對(duì)比表明Fe2O3的加入明顯的降低了介電損耗和介電常數(shù)，然而介電常數(shù)的溫度依賴特性和介電可調(diào)特性卻急劇下降。本課題組早期在進(jìn)行MnCO3摻雜B^l4Sra6TiO3研究中，獲得了低損耗的微波陶瓷材料，在尋求微波條件下具有低的損耗取得了很大的進(jìn)展。本專利選取!^e粉做為摻雜物進(jìn)入到BST基體中，依靠!^e單質(zhì)在高溫下氧化為不同價(jià)態(tài)的離子，從而能夠彌補(bǔ)單一價(jià)態(tài)鐵的氧化物(F^O3，F(xiàn)e3O4)摻雜的不利因素，實(shí)現(xiàn)低損耗，低介電常數(shù)，高可調(diào)的要求。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，到目前為止尚未發(fā)現(xiàn)采用狗粉對(duì)BST進(jìn)行摻雜及其介電性能方面的相關(guān)報(bào)道，也沒有與本發(fā)明雷同的專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有介電常數(shù)隨！^加入量增加而逐漸降低，同時(shí)保持有一定的可調(diào)率，該體系在微波頻段下具有低的損耗，且可用作可調(diào)微波介質(zhì)陶瓷鐵電移相器材料。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)—種介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料，其結(jié)構(gòu)為單相的立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，所述鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料包括如下質(zhì)量百分比的原料組分BaxSr1^xTiO3 (x = 0. 3 0. 8) 50wt. % 99. 9wt. % ；Fe 粉0. lwt. % 50wt. %。優(yōu)選的，所述χ = 0.4。優(yōu)選的，所述!^e粉的質(zhì)量百分比為0. lwt. 0Z0 15wt. %。本發(fā)明的介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料為BiixSivxTiO3(χ = 0. 3 0. 8)粉體和狗粉復(fù)合而成。本發(fā)明將！^粉添加到鈦酸鍶鋇微波陶瓷材料經(jīng)電子陶瓷制備工藝獲得介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料。本發(fā)明的介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟(I)BaxSr1^xTiO3 (x = 0. 3 0. 8)粉料的制備按照BEixSivxTiO3中Ba和Sr元素的化學(xué)計(jì)量比稱取主要原料BaTiO3和SrTiO3，將 BaTiO3和SrTiO3混合球磨20 M小時(shí)，出料烘干后在1100°C 1200°C下進(jìn)行預(yù)燒，研磨后獲得所述BaxSr1^xTiO3 (x = 0. 3 0. 8)粉料。較佳的，所述BaTiO3和SrTiO3的純度均為99. 90 %，來自于山東國(guó)瓷功能陶瓷材料有限公司。較佳的，所述球磨時(shí)，加入的氧化鋯球與球磨料的質(zhì)量比為(1. 2 1. 5) 1 ；加入的無水乙醇或去離子水與球磨料的質(zhì)量比為(1.5 3.0) 1。所述球磨時(shí)可將原料置于尼龍球磨罐中進(jìn)行。較佳的，所述預(yù)燒的時(shí)間為1-4小時(shí)，優(yōu)選為4小時(shí)。本發(fā)明的BiixSivxTiO3(χ = 0. 3 0. 8)粉料的制備采用傳統(tǒng)的電子陶瓷粉料制備工藝，通過固相反應(yīng)法制得。(2)按照BASr1-JiO3和!^e粉的配比稱取步驟(1)獲得的BASr1-JiO3粉料和!^e 粉，球磨并出料烘干，過篩后獲得粉料。本發(fā)明所述！^粉可選用AlfaAesar公司生產(chǎn)的純度為95%的！^粉。較佳的，所述球磨時(shí)加入氧化鋯球和無水乙醇或去離子水球磨20 M小時(shí)；其中，氧化鋯球與球磨料的質(zhì)量比為(1.2 1.5) 1 ；無水乙醇或去離子水與球磨料的質(zhì)量比為(1. 5 3. 0) 1。優(yōu)選的，所述過篩的篩網(wǎng)目數(shù)為200目。(3)采用粘結(jié)劑對(duì)將步驟(2)獲得的粉料進(jìn)行造粒，然后在10 IOOMI5a壓力下壓制成型，獲得陶瓷生坯。較佳的，所述粘結(jié)劑為8 10%的聚乙烯醇(PVA)水溶液。本發(fā)明的陶瓷生坯可通過成型模具壓制成所需尺寸大小的塊體。(4)陶瓷生坯經(jīng)過排粘處理后，在1320°C 1440°C下保溫2 4小時(shí)，得到所述介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料。較佳的，所述排粘的溫度為500 V -550 V，保溫時(shí)間為證。上述步驟(2) - (4)可成功的將Fe粉添加到Ba1^xSrxTiO3 (x = 0. 3 0. 8)中。本發(fā)明采用傳統(tǒng)的電子陶瓷制備工藝，選用狗粉添加到不同Ba/Sr組分的鈦酸鍶鋇鐵電材料中，研制得到一種具有低損耗，高介電可調(diào)特性，且可用于可調(diào)器件的陶瓷材料，尤其適合用作可調(diào)微波器件的微波介質(zhì)陶瓷鐵電移相器材料。
本發(fā)明的介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料具有以下主要特點(diǎn)(1)以狗粉的方式添加到Bai_xSrxTi03(x = 0.3 0.8)中，沒有其它雜相的生成。(2)當(dāng)鐵粉的添加量在0. 1 之間，其復(fù)合后的居里溫度變化較小，介電可調(diào)率并沒有迅速降低，與純的BST的可調(diào)性相當(dāng)；當(dāng)鐵粉的添加量大于時(shí)，居里溫度向低溫方向移動(dòng)，其可調(diào)率仍然保持在一定范圍內(nèi)；(3)通過將!^e粉添加到BiixSivxTiO3 (x = 0. 3 0. 8)中，介電常數(shù)可在100 1166 之間連續(xù)可調(diào)，可以得到介電常數(shù)系列化的材料體系，拓寬了材料的應(yīng)用范圍；(4)在外加直流電場(chǎng)作用下(60kV/cm)，所述微波陶瓷材料具有較高的介電可調(diào)特性(^ 10% )；(5)該陶瓷材料在微波頻段下具有低的損耗(tg δ < 0. 01)。(6)采用傳統(tǒng)的電子陶瓷制備工藝，工藝簡(jiǎn)單，成本低，材料體系環(huán)保無毒副作用， 性能優(yōu)異，可適用于可調(diào)微波器件的開發(fā)和設(shè)計(jì)。


圖1、(1-y) Ba0.4Sr0. JiO3-Y Fe微波陶瓷材料的X射線衍射分析圖譜；圖2、(1-y) Ba0.4Sr0. JiO3-Y Fe微波陶瓷材料在f = IOkHz下介電常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線；圖3、(1-y) Ba0.4Sr0. JiO3-Y Fe微波陶瓷材料在f = IOkHz下介電常數(shù)與外加直流場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料(1-y)Biia4Sr(1.6Ti03-yi^e的制備，其中(l_y) Ba0.4Sr0.6Ti03-yFe材料的組分配比如表1所示。其制備方法，具體包括如下步驟(1)按照 Baa4Sra6TiO3 的化學(xué)計(jì)量比，稱取 28. 015g BaTiO3 和 33. 066g SrTiO3 粉料置于尼龍球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇或去離子水，球磨M小時(shí)(球磨時(shí)，加入的氧化鋯球與球磨料的質(zhì)量比為1.5 1 ；加入的無水乙醇或去離子水與球磨料的質(zhì)量比為 3.0 1)，出料烘干后在1200°C預(yù)燒4小時(shí)，研磨后得到Biia4Sra6TiO3粉體待用。按照表1中組分配比分別稱取上述合成的Baa4Sra6TiO3粉體、狗粉待用表1. (1-y) Ba0.4Sr0. JiO3-YFe 陶瓷材料組分配比
權(quán)利要求
1.一種介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料，其結(jié)構(gòu)為單相的立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，所述鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料包括如下質(zhì)量百分比的原料組分BaxSr1^xTiO350wt. % 99. 9wt. % ；Fe 粉0. Iwt. % 50wt. % ；其中χ = 0. 3 0. 8。
2.如權(quán)利要求1所述的介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟(1)BaxSr1^xTiO3粉料的制備按照BiixSivxTiO3中Ba和Sr元素的化學(xué)計(jì)量比稱取主要原料BaTiO3和SrTiO3，將BaTiO3和SrTiO3混合球磨20 M小時(shí)，出料烘干后在1100°C 1200°C下進(jìn)行預(yù)燒，研磨后獲得所述BaXSrl-XTi03粉料；(2)按照BiixSivxTiOdn!^e粉的配比稱取步驟(1)獲得的BiixSivxTiO3粉料和!^e粉，球磨并出料烘干，過篩后獲得粉料；(3)采用粘結(jié)劑對(duì)將步驟( 獲得的粉料進(jìn)行造粒，然后在10 IOOMI^壓力下壓制成型，獲得陶瓷生坯；(4)陶瓷生坯經(jīng)過排粘處理后，在1320°C 1440°C下保溫2 4小時(shí)，得到所述介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料。
3.如權(quán)利要求2所述的的制備方法，其特征在于，步驟(1)和步驟(2)中，所述球磨時(shí)， 加入的氧化鋯球與球磨料的質(zhì)量比均為(1. 2 1. 5) 1 ；加入的無水乙醇或去離子水與球磨料的質(zhì)量比均為(1.5 3.0) 1。
4.如權(quán)利要求2所述的的制備方法，其特征在于，步驟O)中，所述過篩的篩網(wǎng)目數(shù)為 200 目。
5.如權(quán)利要求2所述的的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述粘結(jié)劑為8 10% 的聚乙烯醇水溶液。
6.如權(quán)利要求2所述的的制備方法，其特征在于，步驟中，所述排粘的溫度范圍為 5000C -550"C。
7.如權(quán)利要求1所述介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料在鐵電移相器、微型電容器、調(diào)諧微波器件、濾波器、可變電容器和延遲線中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低損耗、高介電可調(diào)鈦酸鍶鋇基陶瓷材料及其制備。本發(fā)明的介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料，其結(jié)構(gòu)為單相的立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其成分包括如下質(zhì)量百分比的組分BaxSr1-xTiO3(x=0.3～0.8)50wt.%～99.9wt.%，F(xiàn)e粉0.1wt.%～50wt.%。本發(fā)明的介電可調(diào)的鈦酸鍶鋇基微波陶瓷材料將Fe粉添加到不同Ba/Sr組分的鈦酸鍶鋇鐵電材料中，研制得到一種具有低損耗，高介電可調(diào)特性，且可用于可調(diào)器件的陶瓷材料，尤其適合用作可調(diào)微波器件的微波介質(zhì)陶瓷鐵電移相器材料。
文檔編號(hào)C22C1/05GK102358930SQ20111018301
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者張奇?zhèn)? 翟繼衛(wèi) 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)