本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備工藝。
背景技術(shù)：
微波介電陶瓷是指應(yīng)用于微波頻段(主要是uhf和shf頻段)電路中作為介質(zhì)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(zhì)基片和介質(zhì)導(dǎo)波回路等元器件，是現(xiàn)代通信技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，已在便攜式移動(dòng)電話、汽車(chē)電話、無(wú)繩電話、電視衛(wèi)星接受器和軍事雷達(dá)等方面有著十分重要的應(yīng)用，在現(xiàn)代通訊工具的小型化、集成化過(guò)程中正發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。
應(yīng)用于微波頻段的介電陶瓷，應(yīng)滿足如下介電特性的要求：(1)系列化介電常數(shù)εr以適應(yīng)不同頻率及不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求；(2)高的品質(zhì)因數(shù)q值或低的介電損耗tanδ以降低噪音，一般要求qf≥3000ghz；(3)諧振頻率的溫度系數(shù)τf盡可能小以保證器件具有好的熱穩(wěn)定性，一般要求-10ppm/℃≤τf≤+10ppm/℃。國(guó)際上從20世紀(jì)30年代末就有人嘗試將電介質(zhì)材料應(yīng)用于微波技術(shù),并制備出tio2微波介質(zhì)濾波器，但其諧振頻率溫度系數(shù)τf太大而無(wú)法實(shí)用化。上世紀(jì)70年代以來(lái)，開(kāi)始了大規(guī)模的對(duì)介質(zhì)陶瓷材料的開(kāi)發(fā)工作,根據(jù)相對(duì)介電常數(shù)εr的大小與使用頻段的不同，通?？蓪⒁驯婚_(kāi)發(fā)和正在開(kāi)發(fā)的微波介質(zhì)陶瓷分為4類(lèi)。
(1)超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，主要代表是al2o3-tio2、y2bacuo5、mgal2o4和mg2sio4等，其εr≤20，品質(zhì)因數(shù)q×f≥50000ghz，τf≤10ppm/℃。主要用于微波基板以及高端微波元器件。
(2)低εr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(fù)合系統(tǒng)mwdc材料。其εr＝20～35,q＝(1～2)×104(在f≥10ghz下),τf≈0。主要應(yīng)用于f≥8ghz的衛(wèi)星直播等微波通信機(jī)中作為介質(zhì)諧振器件。
(3)中等εr和q值的微波介電陶瓷，主要是以bati4o9、ba2ti9o20和(zr、sn)tio4等為基的mwdc材料,其εr＝35～45，q＝(6～9)×103(在f＝3～－4ghz下)，τf≤5ppm/℃。主要用于4～8ghz頻率范圍內(nèi)的微波軍用雷達(dá)及通信系統(tǒng)中作為介質(zhì)諧振器件。
(4)高εr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(dòng)通訊系統(tǒng)，這也是微波介電陶瓷研究的重點(diǎn)。80年代以來(lái)，kolar、kato等人相繼發(fā)現(xiàn)并研究了類(lèi)鈣鈦礦鎢青銅型bao—ln2o3—tio2系列(ln＝la、sm、nd或pr等,簡(jiǎn)稱(chēng)blt系)、復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)cao—li2o—ln2o3—tio2系列、鉛基系列材料、ca1-xln2x/3tio3系等高εr微波介電陶瓷，其中blt體系的bao—nd2o3—tio2材料介電常數(shù)達(dá)到90，鉛基系列(pb,ca)zro3介電常數(shù)達(dá)到105。
以上這些材料體系的燒結(jié)溫度一般高于1300℃，不能直接與ag和cu等低熔點(diǎn)金屬共燒形成多層陶瓷電容器。近年來(lái)，隨著低溫共燒陶瓷技術(shù)(lowtemperatureco-firedceramics,ltcc)的發(fā)展和微波多層器件發(fā)展的要求，國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)一些低燒體系材料進(jìn)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(fù)合材料體系，因低熔點(diǎn)玻璃相具有相對(duì)較高的介質(zhì)損耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介質(zhì)損耗。因此研制無(wú)玻璃相的低燒微波介質(zhì)陶瓷材料是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
在探索與開(kāi)發(fā)新型可低燒微波介電陶瓷材料的過(guò)程中，固有燒結(jié)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(guān)注與研究，但是由于微波介電陶瓷的三個(gè)性能指標(biāo)(εr與q×f和τf)之間是相互制約的關(guān)系(見(jiàn)文獻(xiàn)：微波介質(zhì)陶瓷材料介電性能間的制約關(guān)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(gè)性能要求且可低溫?zé)Y(jié)的單相微波介質(zhì)陶瓷非常少，主要是它們的諧振頻率溫度系數(shù)通常過(guò)大或者品質(zhì)因數(shù)偏低而無(wú)法實(shí)際應(yīng)用要求。目前對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的研究大部分是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)而得出的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),卻沒(méi)有完整的理論來(lái)闡述微觀結(jié)構(gòu)與介電性能的關(guān)系，因此，在理論上還無(wú)法從化合物的組成與結(jié)構(gòu)上預(yù)測(cè)其諧振頻率溫度系數(shù)和品質(zhì)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(shù)及微波多層器件的發(fā)展。探索與開(kāi)發(fā)既能低溫?zé)Y(jié)同時(shí)具有近零諧振頻率溫度系數(shù)(-10ppm/℃≤τf≤+10ppm/℃)與較高品質(zhì)因數(shù)的微波介電陶瓷是本領(lǐng)域技術(shù)人員一直渴望解決但始終難以獲得成功的難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的第一個(gè)目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供一種諧振頻率溫度系數(shù)低，溫度穩(wěn)定性好的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝。
本發(fā)明的第一個(gè)目的可通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
一種超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于：包含以下重量份數(shù)比的原料：
sio2：20～50份；
h3bo3：50～80份；
助劑mo：0.5～1份；
在上述的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料中，所述助劑為mgo或al2o3、zno中的一種或幾種。
本發(fā)明的第二個(gè)目的通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
一種超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟：
a、配料：將二氧化硅與硼酸按照設(shè)定的組分稱(chēng)重配料；
b、混合：將配料后的原料濕混20—26小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與水，然后置于150℃烘箱中經(jīng)12小時(shí)干燥，得到干燥的粉料；
c、預(yù)燒：將干燥的粉料置于氧化鋁坩堝中，并于650℃—760℃碳棒爐中預(yù)燒2—4小時(shí)，得到原料粉末；
d、造漿：將原料粉末球磨粉碎20—26小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與蒸餾水，得到粘稠狀的漿料；
e、成型：在漿料中添加粘結(jié)劑并噴霧造粒后，再壓制成型，最后在950—1200℃碳棒爐中成燒3小時(shí)。
在上述的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝中，所述步驟b中的水為去離子水。
在上述的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝中，所述步驟e中的粘結(jié)劑為短鏈聚乙烯醇粘合劑。
在上述的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝中，所述步驟e中粘結(jié)劑的濃度為5wt％—20wt％。
在上述的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝中，所述步驟e中粘結(jié)計(jì)的添加為漿料總質(zhì)量的10％—25％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本工藝球磨時(shí)采用去離子水(非酒精或有機(jī)物)；燒成溫度低；制備工藝具備固相法批量生產(chǎn)的條件。
而且，本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料介電常數(shù)低：3.6±0.2；品質(zhì)因素q×f值高：≥40000；諧振頻率溫度系數(shù)低，溫度穩(wěn)定性好?？梢詰?yīng)用在2.45g～5.5g藍(lán)牙(接收天線)、基帶天線、導(dǎo)航天線處。
附圖說(shuō)明
圖1是本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的xrd分析圖譜。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
如圖1所示，本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料包含以下重量份數(shù)比的原料：
sio2：20份；
h3bo3：80份；
助劑mo：0.5份；
所述助劑為mgo或al2o3、zno中的一種或幾種。
本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝包括以下步驟：
a、配料：將二氧化硅與硼酸按照設(shè)定的組分稱(chēng)重配料；
本實(shí)施例子中，sio2：x＝20份；h3bo3:y＝80份；助劑mo(mgo或al2o3、zno中的一種或幾種)z＝0.5份；將二氧化硅與硼酸按sixbyo2x+1.5y+zmo的組成稱(chēng)量配料。
b、混合：將配料后的原料濕混20小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與水，然后置于150℃烘箱中經(jīng)12小時(shí)干燥，得到干燥的粉料；
本實(shí)施例中，球磨介質(zhì)中水為去離子水；
c、預(yù)燒：將干燥的粉料置于氧化鋁坩堝中，并于650℃碳棒爐中預(yù)燒2小時(shí)，得到原料粉末；
d、造漿：將原料粉末球磨粉碎20小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與蒸餾水，得到粘稠狀的漿料；
e、成型：在漿料中添加粘結(jié)劑并噴霧造粒后，再壓制成型，最后在1050℃碳棒爐中成燒3小時(shí)。
該步驟中的粘結(jié)劑為短鏈聚乙烯醇粘合劑，所述粘結(jié)劑的濃度為5wt％。
粘結(jié)計(jì)的添加為漿料總質(zhì)量的10wt％。
本實(shí)施例制備的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的介電常數(shù)εr為3.7，品質(zhì)因素q×f值為41000，頻率溫度系數(shù)τf/ppm為-28。
實(shí)施例二
如圖1所示，本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料包含以下重量份數(shù)比的原料：
sio2：25份；
h3bo3：75份；
助劑mo：0.5份；
所述助劑為mgo或al2o3、zno中的一種或幾種。
本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝包括以下步驟：
a、配料：將二氧化硅與硼酸按照設(shè)定的組分稱(chēng)重配料；
本實(shí)施例子中，sio2：x＝25份；h3bo3:y＝75份；助劑mo(mgo或al2o3、zno中的一種或幾種)z＝0.5份；將二氧化硅與硼酸按sixbyo2x+1.5y+zmo的組成稱(chēng)量配料。
b、混合：將配料后的原料濕混26小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與水，然后置于150℃烘箱中經(jīng)12小時(shí)干燥，得到干燥的粉料；
本實(shí)施例中，球磨介質(zhì)中水為去離子水；
c、預(yù)燒：將干燥的粉料置于氧化鋁坩堝中，并于760℃碳棒爐中預(yù)燒4小時(shí)，得到原料粉末；
d、造漿：將原料粉末球磨粉碎26小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與蒸餾水，得到粘稠狀的漿料；
e、成型：在漿料中添加粘結(jié)劑并噴霧造粒后，再壓制成型，最后在1050℃碳棒爐中成燒3小時(shí)。
該步驟中的粘結(jié)劑為短鏈聚乙烯醇粘合劑，該步驟中粘結(jié)劑的濃度為20wt％。
該步驟e中粘結(jié)計(jì)的添加為漿料總質(zhì)量的25％。
本實(shí)施例制備的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的介電常數(shù)εr為3.6，品質(zhì)因素q×f值為49000，頻率溫度系數(shù)τf/ppm為-15。
實(shí)施例三
如圖1所示，本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料包含以下重量份數(shù)比的原料：
sio2：30份；
h3bo3：70份；
助劑mo：0.5份；
所述助劑為mgo或al2o3、zno中的一種或幾種。
本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝包括以下步驟：
a、配料：將二氧化硅與硼酸按照設(shè)定的組分稱(chēng)重配料；
本實(shí)施例子中，sio2：x＝30份；h3bo3:y＝70份；助劑mo(mgo或al2o3、zno中的一種或幾種)z＝0.5份；將二氧化硅與硼酸按sixbyo2x+1.5y+zmo的組成稱(chēng)量配料。
b、混合：將配料后的原料濕混23小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與水，然后置于150℃烘箱中經(jīng)12小時(shí)干燥，得到干燥的粉料；
本實(shí)施例中，球磨介質(zhì)中水為去離子水；
c、預(yù)燒：將干燥的粉料置于氧化鋁坩堝中，并于700℃碳棒爐中預(yù)燒3小時(shí)，得到原料粉末；
d、造漿：將原料粉末球磨粉碎23小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與蒸餾水，得到粘稠狀的漿料；
e、成型：在漿料中添加粘結(jié)劑并噴霧造粒后，再壓制成型，最后在1070℃碳棒爐中成燒3小時(shí)。
該步驟中的粘結(jié)劑為短鏈聚乙烯醇粘合劑，該步驟中粘結(jié)劑的濃度為10wt％。
該步驟e中粘結(jié)計(jì)的添加為漿料總質(zhì)量的20％。
本實(shí)施例制備的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的介電常數(shù)εr為3.4，品質(zhì)因素qf值為42000，頻率溫度系數(shù)τf/ppm為-25。
實(shí)施例四
如圖1所示，本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料包含以下重量份數(shù)比的原料：
sio2：25份；
h3bo3：75份；
助劑mo：1份；
所述助劑為mgo或al2o3、zno中的一種或幾種。
本超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備工藝包括以下步驟：
a、配料：將二氧化硅與硼酸按照設(shè)定的組分稱(chēng)重配料；
本實(shí)施例子中，sio2：x＝25份；h3bo3:y＝75份；助劑mo(mgo或al2o3、zno中的一種或幾種)z＝1份；將二氧化硅與硼酸按sixbyo2x+1.5y+zmo的組成稱(chēng)量配料。
b、混合：將配料后的原料濕混25小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與水，然后置于150℃烘箱中經(jīng)12小時(shí)干燥，得到干燥的粉料；
本實(shí)施例中，水為蒸餾水；根據(jù)實(shí)際情況，該步驟中的水采用去離子水也是可行的。
c、預(yù)燒：將干燥的粉料置于氧化鋁坩堝中，并于750℃碳棒爐中預(yù)燒3小時(shí)，得到原料粉末；
d、造漿：將原料粉末球磨粉碎25小時(shí)，球磨介質(zhì)為鋯球與蒸餾水，得到粘稠狀的漿料；
e、成型：在漿料中添加粘結(jié)劑并噴霧造粒后，再壓制成型，最后在1030℃碳棒爐中成燒3小時(shí)。
該步驟中的粘結(jié)劑為短鏈聚乙烯醇粘合劑，該步驟中粘結(jié)劑的濃度為18wt％。
該步驟e中粘結(jié)計(jì)的添加為漿料總質(zhì)量的22％。
本實(shí)施例制備的超低介高q的微波介質(zhì)陶瓷材料的介電常數(shù)εr為3.6，品質(zhì)因素q×f值為41000，頻率溫度系數(shù)τf/ppm為-18。