一種Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電子陶瓷及其制備領域，特別涉及一種Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002]微波介質陶瓷是近三十多年發(fā)展起來的一種新型的功能陶瓷材料。它是指應用于微波頻段(主要是300MHz?300GHz頻段)電路中作為介質材料并完成一種或多種功能的陶瓷材料。這種材料是近幾十年來隨著移動通信事業(yè)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的新型功能陶瓷材料，主要用于制作諧振器、濾波器、介質天線、介質導波回路等微波元器件，可用于移動通訊、衛(wèi)星通訊和軍用雷達等方面。其突出特點是介電常數(shù)高、損耗低、諧振頻率溫度系數(shù)小，并被用來制成介質諧振器、介質天線、雙工器、介質導波回路、介質穩(wěn)頻振蕩器等微波元件。
[0003]微波介質陶瓷隨著科學技術日新月異的發(fā)展，通信信息量的迅猛增加，以及人們對無線通信的要求，使用衛(wèi)星通訊和衛(wèi)星直播電視等微波通信系統(tǒng)己成為當前通信技術發(fā)展的必然趨勢。這就使得微波材料在民用方而的需求逐漸增多，如手機、汽車電話、蜂窩無繩電話等移動通信和衛(wèi)星直播電視等新的應用裝置。以手機為例，2004年中國的手機年銷售量為6400萬部，而且中國手機市場將以每年20 %的速度增長，在兩三年內銷售量將達到1億部。由此可見，微波介質陶瓷在商業(yè)應用上有極大的發(fā)展空間和市場。
[0004]微波介質諧振器與金屬空腔諧振器相比，具有以下一些優(yōu)點:
[0005]1)小型化(高介電常數(shù)ε r)
[0006]眾所周知，微波設備實現(xiàn)小型化、高穩(wěn)定及廉價的方式是微波電路的集成化。在微波電路集成化的進程中，金屬波導實現(xiàn)了平面微帶集成化，微波管實現(xiàn)了小型化。但是，微波電路中各種金屬諧振腔由于體積和重量太大，難以和微帶電路相集成，解決這一困難的出路在于使用微波介質陶瓷材料制作諧振器。已經知道，諧振器的尺寸和電介質材料的介電常數(shù)的平方根成反比。所以電介質材料的介電常數(shù)越大，所需要的電介質陶瓷塊體就越小，諧振器的尺寸也就越小。因此，微波介質陶瓷材料的高介電常數(shù)有利于微波介質濾波器的小型化，可使濾波器同微波管、微帶線一道實現(xiàn)微波電路混合集成化，使器件尺寸達到毫米量級，其價格也比金屬諧振腔低廉得多，一般要求ε >10。
[0007]2)高穩(wěn)定性(接近于零的頻率溫度系數(shù)TCF)
[0008]通信器件的工作環(huán)境溫度不可能一成不變。如果微波介質材料的諧振頻率隨溫度變化較大，濾波器的載波信號在不同的溫度下就會漂移，從而影響設備的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度變化太大。溫度的實際要求范圍大致是一 40°C -+100°C，在這個范圍內，材料的頻率溫度系數(shù)TCF不大于30ppm/°C。目前，己實用化的微波介質陶瓷材料的頻率溫度系數(shù)可達0ppm/°C，從而可以實現(xiàn)器件的高穩(wěn)定性和高可靠性。
[0009]3)低損耗(高品質因子Qf)
[0010]濾波器的一個重要要求是插入損耗低，微波介質材料的介質損耗是影響介質濾波器插入損耗的一個主要因素。微波介質材料Qf值與介質損耗tand成反比關系。Qf值越大，濾波器的插入損耗就越低。在測試過程中，目前微波介質陶瓷已在便攜式移動電話、汽車電話、無繩電話、電視衛(wèi)星接收器、軍事雷達等方面被用來廣泛制造微波介質濾波器和諧振器，在現(xiàn)代通信工具的小型化、集成化過程中正發(fā)揮著越來越大的作用。
[0011]綜上所述，隨著微波介質陶瓷廣泛應用于介質諧振器、濾波器、介質波導、介質基板以及介質超材料等領域，因此，尋找、制備與研究高介電常數(shù)、低損耗(Qf>5000GHz)、近零諧振頻率溫度系數(shù)(TCF = 0ppm/°C )、低成本、環(huán)保的新型微波介質陶瓷成為了人們當前研究的熱點與重點。

【發(fā)明內容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷及其制備方法，該陶瓷材料相對介電常數(shù)較高，微波性能良好，諧振頻率溫度系數(shù)可調，物相組成及制備方法簡單。
[0013]本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0014]本發(fā)明公開了一種Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷，該微波介質陶瓷的化學組成為:0.9(l-x) SrO-0.l(l-x)Ca0-x/4Li20-x/2Ce02-Ti02，其中 0.70 彡 x 彡 0.80。
[0015]所述的微波介質陶瓷中，以鈣鈦礦結構為基礎，Sr、Ca、L1、Ce占據A位，Ti占據B位。
[0016]所述微波介質陶瓷的相對介電常數(shù)為140?158，微波性能Qf = 1，350GHz?1，640GHz，諧振頻率溫度系數(shù)為-80ppm/°C?+80ppm/°C。
[0017]本發(fā)明還公開了一種Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0018]1)按 0.9(l-x)Sr0-0.1 (l_x) Ca0-x/4Li20_x/2Ce02-Ti02式中的摩爾比，取鍶、鈣和鋰的碳酸鹽以及鈰和鈦的氧化物，混合后經一次球磨，然后烘干、過篩并壓制成塊狀體，在1150°C下保溫4.5h，得到樣品燒塊;其中，0.70彡X彡0.80 ;
[0019]2)將樣品燒塊粉碎后經二次球磨，再經烘干、造粒、過篩，然后將過篩后的顆粒壓制成型，在1350°C下燒結2h成瓷，得到Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷。
[0020]所述的鍶、鈣和鋰的碳酸鹽分別為SrC03、CaC03& Li 20)3;鈰和鈦的氧化物分別為CeOjP Ti02o
[0021 ] 在進行一次球磨和二次球磨時，每次球磨的時間為4h?5h，烘干的溫度為100。。?120。。。
[0022]所述的過篩，步驟1)為過120目的篩網，步驟2)為雙層過篩:過60目與120目的篩網。
[0023]所述的造粒是將粉體與聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米級的球形顆粒。
[0024]所述的步驟2)的燒結是在空氣氛圍下的燒結。
[0025]所述的步驟2)的壓制成型是壓制成塊狀或圓柱狀。
[0026]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果:
[0027]本發(fā)明公開的Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷，以富含Ti元素的鈣鈦礦相為主元，在1350°C下進行燒結。本發(fā)明根據晶體化學原理和電介質有關理論，以鈣鈦礦結構為基礎，其中Sr、Ca、L1、Ce占據A位，Ti占據B位，通過調節(jié)離子組分比例，以達到提高離子極化率及調控頻率溫度系數(shù)的目的。通過適當?shù)奶沾晒に嚕梢栽诳諝夥諊袩Y出致密的且具備優(yōu)良微波介電性能的新型功能陶瓷，這類陶瓷可以作為射頻多層陶瓷電容器、片式微波介質諧振器或濾波器、陶瓷天線、多芯片組件(MCM)等介質材料使用。
[0028]進一步地，所述微波介質陶瓷中，以I丐鈦礦結構為基礎，其中Sr、Ca、L1、Ce占據A位，Ti占據B位，通過調節(jié)離子組分比例，以達到提高離子極化率及調控頻率溫度系數(shù)的目的。通過適當?shù)奶沾晒に?，在一定燒結溫度范圍內可以形成純相的致密陶瓷。
[0029]本發(fā)明的Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷材料具有以下特點:相對介電常數(shù)可調(140?158)，微波性能良好(Qf = 1，350GHz?1，640GHz)，諧振頻率溫度系數(shù)近零且易調控(_80ppm/°C?+80ppm/°C )，物相組成及制備工藝簡單。
[0030]本發(fā)明采用了最簡單有效的固相反應燒結的方法來制備，首先是選取合適比例的配方，選取合適的初始氧化物，通過一次球磨使得各種氧化物混合均勻，通過預燒結過程使得氧化物進行初步的反應，通過二次球磨細化反應物的顆粒尺寸，最后通過燒結過程得到所需要的陶瓷樣品。通過這樣一種簡單易行的有效的制備方法，得到的陶瓷樣品的介電常數(shù)隨成分在140?158之間變化，Qf分布在1，350GHz?1，640GHz，諧振頻率溫度系數(shù)近零且易調控(_80ppm/°C?+80ppm/°C )，燒結溫度 1350°C。
【具體實施方式】
[0031]下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0032]本發(fā)明公開的Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷材料的配方表達式為:0.9(l-x)SrO-0.1 (l-x)Ca0-x/4Li20-x/2Ce02-Ti02，其中 0.70 彡 x 彡 0.80。
[0033]制備上述Ti基高介電常數(shù)微波介質陶瓷材料具體方法是:
[0034]將化學原料SrC03、CaC03、Li2C03、CeOjP T1 2 按配方通式 0.9 (l-χ) SrO-0.1 (l-χ)Ca0-x/4Li20-x/2Ce02-Ti02 (其中0.70彡x彡0.80)充分混合球磨4?5個小時，磨細后烘干、過篩、壓塊，然后經1150°C預燒，并保溫4.5小時；
[0035]將預燒后的塊體進行二次球磨，磨細烘干后造粒，經60目與120目篩網雙層過篩；
[0036]將瓷料按需要壓制成型