本發(fā)明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，特別涉及一種以li3co2nbo6為化學(xué)式的低介電常數(shù)、高品質(zhì)因數(shù)(高q值)的微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
微波介質(zhì)陶瓷是指應(yīng)用于微波頻段電路中作為介質(zhì)材料并完成一定功能的陶瓷，是近年來發(fā)展起來的一種新型功能陶瓷，在現(xiàn)代微波通訊系統(tǒng)中被廣泛用于制造介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)雙工器、介質(zhì)波導(dǎo)回路等。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能微波器件不斷涌現(xiàn)，對具有高品質(zhì)因數(shù)(高q值)微波介質(zhì)陶瓷的需求也越來越多。尤其對諧振器或者濾波器來說，更高的q值意味著更低的差損與信噪比以及更好的頻率選擇特性。
目前研究較多的高q值微波介質(zhì)陶瓷體系有：al2o3系、a2sio4(其中a＝mg，zn)系、mgtio3-catio3系、a(b′b″)o3系(a＝ba，sr，ca；b′＝mg，zn；b″＝nb，ta)。其中al2o3系和a2sio4系微波介質(zhì)陶瓷介電常數(shù)小于10，而mgtio3-catio3系和a(b′b″)o3系微波介質(zhì)陶瓷介電常數(shù)大于20。為了滿足設(shè)計不同工作頻率的微波器件，需要微波介質(zhì)陶瓷實現(xiàn)介電常數(shù)系列化。近年來，巖鹽結(jié)構(gòu)的li2o-mo-nb2o5(m＝zn，mg，ca，ni，mn)三元陶瓷材料開始受到研究者的關(guān)注，這類陶瓷體系具有高的q值，低的諧振頻率溫度系數(shù)，介電常數(shù)在10到20之間。如yuan等人于首次報道了li3mg2nbo6陶瓷的微波介電性能：εr～16.8，q×f～79643ghz，τf～-27.2ppm/℃(l.l.yuan,j.j.bian,ferroelectrics2009,387:123)；zhang等人在此基礎(chǔ)上通過微量摻雜zn2+替代mg2+，提高了原體系的品質(zhì)因數(shù)，同時降低了原體系的燒結(jié)溫度，li3m2nbo6陶瓷體系表現(xiàn)出優(yōu)異的微波介電性能(y.g.zhao,p.zhang,journalofalloysandcompounds2016,658:744–748)。然而，在li2o-mo-nb2o5體系中鮮有對li2o-coo-nb2o5三元復(fù)合陶瓷材料的研究，尤其是研究li3co2nbo6陶瓷的微波介電性能。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的，是針對li3co2nbo6微波介質(zhì)陶瓷的進(jìn)一步研究，提供一種具有高品質(zhì)因數(shù)、介電常數(shù)在15～20的新型微波介質(zhì)陶瓷，以滿足衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)中微波器件對系列化低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料的需求。本發(fā)明的另外一個目的是提供上述微波介質(zhì)陶瓷的制備方法。
本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
一種高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，其組成表達(dá)式為li3co2nbo6；
該高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷采用簡單的傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備，具體步驟如下：
(1)將li2co3和nb2o5作為原料，按摩爾比3:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入球磨罐中，加入無水乙醇和氧化鋯球后球磨8～12h；然后于100℃下烘干，過40目篩；再于800～900℃預(yù)燒，保溫12h，合成li3nbo4熔塊；再將熔塊球磨12～24h，烘干后過80目篩，得到li3nbo4粉料；
(2)將步驟(1)得到的li3nbo4粉料與coo原料按摩爾比1:2進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入球磨罐中，加入無水乙醇和氧化鋯球后球磨12～24h；然后于100℃烘干，過40目篩；再于900～1000℃預(yù)燒，保溫6h，合成li3co2nbo6熔塊；
(3)將步驟(2)得到的li3co2nbo6熔塊過40目篩，外加質(zhì)量百分比為6％～8％的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，用粉末壓片機(jī)壓制成型為坯體；
(4)將步驟(3)得到的坯體于1160℃～1220℃燒結(jié)，保溫4～6h，之后隨爐自然冷卻至室溫，制成具有高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷。
所述步驟(1)和步驟(2)的原料為分析純原料。
所述步驟(1)和步驟(2)的原料與無水乙醇和氧化鋯球的體積比為1:2:1。
所述步驟(1)和步驟(2)采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分。
所述步驟(3)的坯體為φ10mm×5mm的圓柱體，是以2～4mpa的壓力壓制而成。
本發(fā)明通過預(yù)先合成li3nbo4粉體，然后通過添加coo原料，最終制備出高q值的li3co2nbo6新型微波介質(zhì)陶瓷，當(dāng)其在1160～1220℃燒結(jié)時，介電常數(shù)εr為16.5～18.2，品質(zhì)因數(shù)q×f值為76100～113900ghz，諧振頻率溫度系數(shù)τf為-36～-24ppm/℃，該微波介質(zhì)陶瓷材料有望成為制備高性能微波介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器、介質(zhì)波導(dǎo)回路等器件的核心材料。此外，本發(fā)明制備工藝簡單，過程無污染，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，具體實施例如下。
實施例1
(1)將分析純li2co3(純度≥98.5％)和nb2o5(純度≥99.9％)作為原料，按摩爾比3:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨12h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，預(yù)燒合成li3nbo4熔塊，預(yù)燒溫度為800℃，保溫時間為12h；預(yù)燒后二次球磨12h，在紅外干燥箱中于100℃烘干，過80目篩，得到li3nbo4粉體；
(2)將分析純coo(純度≥99％)和步驟(1)的li3nbo4粉體按摩爾比2:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨24h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩；再預(yù)燒合成li3co2nbo6熔塊，預(yù)燒溫度為900℃，保溫時間為6h；
(3)將li3co2nbo6熔塊外加質(zhì)量百分比為8％的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，利用粉末壓片機(jī)在4mpa壓力下單向加壓，壓成φ10mm×5mm的圓柱體坯體；
(4)將坯體放入燒結(jié)爐中，于1160℃燒結(jié)，保溫4h，之后隨爐自然冷卻至室溫，最終得到具有高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷；
(5)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試本實施例制品的微波介電性能，測試結(jié)果如下：
介電常數(shù)為16.5；
品質(zhì)因數(shù)為76100ghz；
諧振頻率溫度系數(shù)為-27ppm/℃。
實施例2
(1)將分析純li2co3(純度≥98.5％)和nb2o5(純度≥99.9％)作為原料，按摩爾比3:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨12h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，預(yù)燒合成li3nbo4熔塊，預(yù)燒溫度為800℃，保溫時間為12h，預(yù)燒后二次球磨24h，在紅外干燥箱中于100℃烘干，過80目篩，得到li3nbo4粉體；
(2)將分析純coo(純度≥99％)和步驟(1)的li3nbo4粉體按摩爾比2:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨24h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，再預(yù)燒合成li3co2nbo6熔塊，預(yù)燒溫度為1000℃，保溫時間為6h；
(3)將li3co2nbo6熔塊外加質(zhì)量百分比為6％的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，利用粉末壓片機(jī)在2mpa壓力下單向加壓，壓成φ10mm×5mm的圓柱體坯體；
(4)將坯體放入燒結(jié)爐中，于1180℃燒結(jié)，保溫4h，之后隨爐自然冷卻至室溫，最終得到具有高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷；
(5)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試本實施例制品的微波介電性能，測試結(jié)果如下：
介電常數(shù)為16.9；
品質(zhì)因數(shù)為82300ghz；
諧振頻率溫度系數(shù)為-24ppm/℃。
實施例3
(1)將分析純li2co3(純度≥98.5％)和nb2o5(純度≥99.9％)作為原料，按摩爾比3:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨12h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，預(yù)燒合成li3nbo4熔塊，預(yù)燒溫度為800℃，保溫時間為12h，預(yù)燒后二次球磨24h，在紅外干燥箱中于100℃烘干，過80目篩，得到li3nbo4粉體；
(2)將分析純coo(純度≥99％)和步驟(1)的li3nbo4粉體按摩爾比2:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨24h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，再預(yù)燒合成li3co2nbo6熔塊，預(yù)燒溫度為1000℃，保溫時間為6h；
(3)將li3co2nbo6熔塊外加質(zhì)量百分比為6％的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，利用粉末壓片機(jī)在2mpa壓力下單向加壓，壓成φ10mm×5mm的圓柱體坯體；
(4)將坯體放入燒結(jié)爐中，于1190℃燒結(jié)，保溫4h，之后隨爐自然冷卻至室溫，最終得到具有高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷；
(5)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試本實施例制品的微波介電性能，測試結(jié)果如下：
介電常數(shù)為17.1；
品質(zhì)因數(shù)為89500ghz；
諧振頻率溫度系數(shù)為-28ppm/℃。
實施例4
(1)將分析純li2co3(純度≥98.5％)和nb2o5(純度≥99.9％)作為原料，按摩爾比3:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨12h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，預(yù)燒合成li3nbo4熔塊，預(yù)燒溫度為800℃，保溫時間為12h，預(yù)燒后二次球磨24h，在紅外干燥箱中于100℃烘干，過80目篩，得到li3nbo4粉體；
(2)將分析純coo(純度≥99％)和步驟(1)的li3nbo4粉體按摩爾比2:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨24h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，再預(yù)燒合成li3co2nbo6熔塊，預(yù)燒溫度為1000℃，保溫時間為6h；
(3)將li3co2nbo6熔塊外加質(zhì)量百分比為6％的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，利用粉末壓片機(jī)在2mpa壓力下單向加壓，壓成φ10mm×5mm的圓柱體坯體；
(4)將坯體放入燒結(jié)爐中，于1200℃燒結(jié)，保溫4h，之后隨爐自然冷卻至室溫，最終得到具有高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷；
(5)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試本實施例制品的微波介電性能，測試結(jié)果如下：
介電常數(shù)為17.3；
品質(zhì)因數(shù)為102700ghz；
諧振頻率溫度系數(shù)為-31ppm/℃。
實施例5
(1)將分析純li2co3(純度≥98.5％)和nb2o5(純度≥99.9％)作為原料，按摩爾比3:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨12h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，預(yù)燒合成li3nbo4熔塊，預(yù)燒溫度為800℃，保溫時間為12h，預(yù)燒后二次球磨24h，在紅外干燥箱中于100℃烘干，過80目篩，得到li3nbo4粉體；
(2)將分析純coo(純度≥99％)和步驟(1)的li3nbo4粉體按摩爾比2:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨24h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，再預(yù)燒合成li3co2nbo6熔塊，預(yù)燒溫度為1000℃，保溫時間為6h；
(3)將li3co2nbo6熔塊外加質(zhì)量百分比為6％的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，利用粉末壓片機(jī)在2mpa壓力下單向加壓，壓成φ10mm×5mm的圓柱體坯體；
(4)將坯體放入燒結(jié)爐中，于1210℃燒結(jié)，保溫6h，之后隨爐自然冷卻至室溫，最終得到具有高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷；
(5)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試本實施例制品的微波介電性能，測試結(jié)果如下：
介電常數(shù)為17.8；
品質(zhì)因數(shù)為113900ghz；
諧振頻率溫度系數(shù)為-32ppm/℃。
實施例6
(1)將分析純li2co3(純度≥98.5％)和nb2o5(純度≥99.9％)作為原料，按摩爾比3:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨12h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，預(yù)燒合成li3nbo4熔塊，預(yù)燒溫度為800℃，保溫時間為12h，預(yù)燒后二次球磨24h，在紅外干燥箱中于100℃烘干，過80目篩，得到li3nbo4粉體；
(2)將分析純coo(純度≥99％)和步驟(1)的li3nbo4粉體按摩爾比2:1進(jìn)行稱量配料，將稱量好的粉料放入尼龍球磨罐中，按粉料與球磨介質(zhì)和磨球的體積比為1:2:1加入無水乙醇和氧化鋯球，在行星式球磨機(jī)上球磨24h，然后在紅外干燥箱中于100℃烘干，過40目篩，再預(yù)燒合成li3co2nbo6熔塊，預(yù)燒溫度為1000℃，保溫時間為6h；
(3)將li3co2nbo6熔塊外加質(zhì)量百分比為6％的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，利用粉末壓片機(jī)在2mpa壓力下單向加壓，壓成φ10mm×5mm的圓柱體坯體；
(4)將坯體放入燒結(jié)爐中，于1220℃燒結(jié)，保溫6h，之后隨爐自然冷卻至室溫，最終得到具有高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷；
(5)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試本實施例制品的微波介電性能，測試結(jié)果如下：
介電常數(shù)為18.2；
品質(zhì)因數(shù)為98400ghz；
諧振頻率溫度系數(shù)為-36ppm/℃。
以上各實施例的檢測方法如下：
(1)制品的直徑和厚度使用千分尺進(jìn)行測量；
(2)根據(jù)hakki-coleman介質(zhì)諧振法，使用agilent8720es矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試樣品微波頻段下的介電性能。頻率溫度系數(shù)τf值在25℃～85℃下測定。
通過以上實施例可以看出，本發(fā)明的高q值低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的εr為16.5～18.2，品質(zhì)因數(shù)q×f值為76100～113900ghz，諧振頻率溫度系數(shù)τf在-36～-24ppm/℃范圍內(nèi)可調(diào)。特別是在1210℃燒結(jié)時，li3co2nbo6陶瓷的品質(zhì)因數(shù)為113900ghz，介電常數(shù)為17.8，諧振頻率溫度系數(shù)為-32ppm/℃，當(dāng)進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度時，樣品的品質(zhì)因數(shù)下降，這可能跟樣品晶粒二次結(jié)晶有關(guān)，引起晶粒的過分長大，造成微波介電性能惡化。其次，以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，這不能因此理解為對本發(fā)明專利的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干調(diào)整和進(jìn)一步改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。所以，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求為準(zhǔn)。