一種溫度穩(wěn)定、介電常數(shù)可調(diào)的微波介質(zhì)陶瓷及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及介質(zhì)陶瓷及其制造領(lǐng)域，尤其涉及一種溫度穩(wěn)定、介電常數(shù)可調(diào)的微 波介質(zhì)陶瓷及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波介質(zhì)陶瓷（MicrowaveDielectricCeramics,MWDC)應用于微波頻段 (300MHz~300GHz)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)天線和介質(zhì)導波回路等元器件，是現(xiàn)代通信技術(shù)的關(guān)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質(zhì)陶瓷通常需要滿足如下三個條件：（1)適宜的介電常數(shù)以 利于器件的小型化（介質(zhì)元器件的尺寸與介電常數(shù)\的平方根成反比）；（2)高的品質(zhì)因 數(shù)Q以降低損耗，一般要求QXf?彡3000GHz(其中f?為諧振頻率）；（3)穩(wěn)定的頻率溫度系 數(shù)，以保證器件的溫度穩(wěn)定性。上世紀70年代以來，開始了大規(guī)模的對介質(zhì)陶瓷材料的開 發(fā)工作，根據(jù)相對介電常數(shù)\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(zhì)陶瓷分為四類。
[0004] 1、超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，主要代表是Al2O3-TiO2、Y2BaCu05、MgAl2O4和 Mg2SiO4等，其e#20,品質(zhì)因數(shù)QXf》50000GHz，Tf<l〇ppm/°C。主要用于微波基板 以及高端微波元器件。
[0005] 2、低er和高Q值的微波介電陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta 205, 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e 20~35, Q =(1~2) X IO4(在f彡IOGHz下），T產(chǎn)〇。主要應用于f彡8GHz的衛(wèi)星直播等微波通 信機中作為介質(zhì)諧振器件。
[0006] 3、中等er和Q值的微波介電陶瓷，主要是以BaTi409、Ba2Ti9O2tl和（Zr、SrOTiO4 等為基的MWDC材料，其er= 35~45,Q= (6~9)X103 (在f= 3~-4GHz下）， T5ppm/°C。主要用于4~8GHz頻率范圍內(nèi)的微波軍用雷達及通信系統(tǒng)中作為介質(zhì)諧 振器件。
[0007] 4、高e，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)。
[0008] 其中，現(xiàn)有的低\和高Q值的微波介電陶瓷材料均在追求接近于零的頻率溫度 系數(shù)，高的介電常數(shù)，高的品質(zhì)因數(shù)，但是在一定頻率溫度系數(shù)范圍內(nèi)，其介電常數(shù)不可調(diào) 節(jié)，然而，隨著通信技術(shù)向高頻發(fā)展，如4G已經(jīng)開始普及，且5G技術(shù)也成熟，對于高頻下所 需要的介質(zhì)天線（如GPS、北斗衛(wèi)星天線）、諧振器和濾波器，則要求高的品質(zhì)因子，良好的 溫度穩(wěn)定性。另外根據(jù)設計的不同，需要構(gòu)造不同尺寸的介質(zhì)天線、諧振器和濾波器以滿足 不同安裝的需求，由于天線、諧振器和濾波器的尺寸大小與介電常數(shù)成反比，則需要微波介 質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)可調(diào)節(jié)以期滿足需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于如何克服現(xiàn)有的微波介質(zhì)陶瓷頻率溫度系數(shù)不 穩(wěn)定，且介電常數(shù)不可調(diào)節(jié)等的缺陷。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種溫度穩(wěn)定、介電常數(shù)可調(diào)的微波介 質(zhì)陶瓷，所述微波介質(zhì)陶瓷的化學式為：（1-n)MgTi^ (Ala5Nba5)x03-nSrTipySiyO3，其中 0? 01 彡n彡 0? 08,0. 01 彡X彡 0? 05,0. 03 彡y彡 0? 06。
[0011] 進一步地，包括以下原料：]\%0、5102、1102、5冗0 3、六1203和恥205。
[0012] 相應地，本發(fā)明還提供了一種溫度穩(wěn)定、介電常數(shù)可調(diào)的微波介質(zhì)陶瓷制備方法， 包括以下步驟：
[0013]S1、將原料MgO、Si02、Ti02、SrC03、Al2O3和Nb205分別按照化學式為 MgTih(Ala5Nba5)x03和SrTihSiyO^ 組成稱量配料，其中 0.01 彡X彡 0.05， 0. 03 <y< 0. 06,將按照所述兩種化學式配料的原料混合物分別置入球磨罐中，加入去離 子水和氧化鋯球進行球磨混合；
[0014] S2、將球磨后的所述兩種原料混合物干燥，再分別將MgTih(Ala5Nba5)凡和 SrIVySiyO^混合原料煅燒，制備得到煅燒料；
[0015] S3、將所述煅燒料按照（I-Ii)MgTih(Ala5Nbtl.OxO3-IiSrIVySiyO^組成進行二次 配料混合，其中0.OKn< 0. 08,加入MnO后置入球磨罐中，加去離子水和氧化鋯球進行球 磨混合，制備得到漿料；
[0016] S4、將所述漿料烘干，加入聚乙烯醇溶液作為粘接劑進行造粒；
[0017]S5、以干壓成型制備得到素坯，將所述素坯排膠并燒結(jié)制備得到微波介質(zhì)陶瓷。
[0018] 進一步地，所述步驟S5中制備得到素坯后具體包括：
[0019]S501、將所述素坯置入高溫爐中梯度緩慢升溫進行排膠；
[0020] S502、將排膠后的素坯置于高溫爐中梯度緩慢升溫，冷卻至室溫制備得到微波介 質(zhì)陶瓷。
[0021] 進一步地，所述步驟S501中的梯度緩慢升溫過程具體為：以0. 5°C/min的升溫速 度升溫至l〇〇°C，保溫0. 5h，再以1°C/min的升溫速度升溫至600-700°C，保溫6-12h;
[0022] 所述步驟S502中的梯度緩慢升溫過程具體為：以2°C/min的升溫速度升溫至 l〇〇(TC，再以5-10°C/min的升溫速度升溫至1200°C，再以3-5°C/min的升溫速度升溫至 1360-1400°C，保溫 2-6h。
[0023] 選擇梯度緩慢升溫的原理主要是：在成型時所引入的粘接劑為有機物，因此在排 膠階段需要緩慢升溫，避免過快升溫所導致的有機物分解產(chǎn)生的氣體體積急劇增加而導致 成型坯體破損；在燒結(jié)時，l〇〇〇°C以下，也是由于坯體對于環(huán)境水分的吸收以及排膠過程中 所殘留的有機殘渣需要在一次緩慢升溫以避免陶瓷坯體開裂破損，并且由于有機殘渣（通 常該殘渣的徹底分解溫度在900°C附近）的存在會惡化微波介電性能；而1200°C以上由于 陶瓷坯體開始收縮燒結(jié)，為了避免由于升溫過快陶瓷顆粒之間的快速粘接影響了坯體中氣 體的排出；而在1000-1200°C之間，由于在此溫度范圍內(nèi)沒有什么相應的物理與化學變化， 從燒成時間和節(jié)能的角度，采用相對較快的升溫速度。
[0024] 進一步地，步驟S2中將MgTipx (Ala5NbQ. 5)凡和SrTiPySiyO^混合原料煅燒的條 件分別為：
[0025] 將MgTih(Ala5Nba5)xCV混合原料在溫度為 1100-1200°C下煅燒 4-8h;
[0026] 將SrTihSiyCV混合料在溫度為 1200-1300°C煅燒 3-7h。
[0027] 進一步地，所述步驟S3中加入的MnO的量為：不大于所述煅燒料總量的0. 2wt%。
[0028] 進一步地，所述步驟Sl中的球磨介質(zhì)為直徑為5mm的氧化錯球；
[0029] 所述步驟S3中的球磨介質(zhì)為直徑為2mm的氧化錯球，球磨條件為在轉(zhuǎn)速為 300_350rpm下球磨 6_8h。
[0030] 其中，在步驟SI中所用為較大直徑研磨球，這主要是為了將原料混合均勻，在煅 燒時能合成得到所需要的物料；二次配料所用為較小直徑研磨球，主要是要將上述兩種煅 燒料研磨得更為細小，并起到混合均勻的作用，便于后期陶瓷的成型和燒結(jié)。
[0031] 進一步地，所述步驟S4中造粒具體為：以質(zhì)量百分數(shù)為2. 5-5.Owt%的聚乙稀醇 溶液為粘接劑，在烘干后的漿料中加入所述漿料質(zhì)量的10_20wt%的聚乙烯醇溶液進行造 粒，并在溫度為50-60 °C下干燥4-8h。
[0032] 進一步地，所述步驟S4中將所述漿料烘干的條件為：在溫度為80°C下干燥 10-18h；
[0033] 所述步驟S5中干壓成型的成型壓力為150_200MPa。
[0034] 本發(fā)明以MgTiO3為基礎材料，采用半導體的電子局域化理論、材料科學中的晶格 畸變效應以及利用溫度補償效應，克服了 181103陶瓷燒結(jié)溫度窄，在燒結(jié)過程中易產(chǎn)生 MgTi2O5雜相以及其負的諧振溫度系數(shù)等不足，所獲得的微波介質(zhì)陶瓷材料，具有可調(diào)介電 常數(shù)、良好的溫度穩(wěn)定性以及高品質(zhì)因子，能應用于高頻通信介質(zhì)天線、介質(zhì)諧振器和濾波 器的制作。
[0035] 本發(fā)明的溫度穩(wěn)定、介電常數(shù)可調(diào)的微波介質(zhì)陶瓷及制備方法，具有如下有益效 果：
[0036] 1、由于MgTipx (Ala5NbQ.5)辦的諧振頻率溫度系數(shù)為負值，無法彳兩足溫度穩(wěn)定性的 要求，因此將具有正溫度系數(shù)的SrTihSiyC^t為溫度補償劑進行二次配料，極大提高了所 制備的微波介電陶瓷的溫度穩(wěn)定性。
[0037] 2、在二次配料中合理使用MnO克服了高溫燒結(jié)過程中氧缺失導致的品質(zhì)因子降 低，提高了微波介質(zhì)陶瓷的品質(zhì)因子。
[0038] 3、本發(fā)明使用的原材料與最終產(chǎn)物均不含環(huán)境有害物質(zhì)，環(huán)保性能好；且本發(fā)明 涉及的工藝步驟及相應配方范圍較寬，易于生產(chǎn)控制。
[0039] 4、本發(fā)明采用梯度緩慢升溫使得坯體得到最優(yōu)的排膠和燒結(jié)的處理，排出各種不 良影響因