一種氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法，其化學(xué)計(jì)量式為Ni0.5-XZnxTi0.5NbO4，式中x=0.1～0.25。本發(fā)明以Ni0.5Ti0.5NbO4體系微波介質(zhì)陶瓷為基礎(chǔ)，采用傳統(tǒng)的氧化物混合方法，加入ZnO來提高介電常數(shù)，提供了一種具有較好綜合性能的Ni0.5-XZnxTi0.5NbO4微波介質(zhì)陶瓷材料，其最佳燒結(jié)溫度為1125℃，其εr=62.54、Q×f=13500GHz、τf=65ppm/℃。本發(fā)明主要用于實(shí)現(xiàn)諧振回路小型化，在信息、軍工、移動(dòng)通信、電子電器、航空、石油勘探等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
【專利說明】一種氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于以成分為特征的陶瓷組合物，尤其涉及一種Nia5_xZnxTia5Nb04體系的微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微波介質(zhì)陶瓷是近幾十年來發(fā)展起來的一種新型功能陶瓷材料。它主要是指應(yīng)用于微波頻率(300 MH z?30 G H z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材料，是制造微波介質(zhì)濾波器和諧振器等器件的關(guān)鍵材料。它具有高介電常數(shù)、低介電損耗、低諧振頻率溫度系數(shù)等優(yōu)良性能，適于制造多種微波元器件，可以滿足微波電路小型化、低成本、高可靠性和集成化的需求。微波介質(zhì)瓷是制造微波介質(zhì)諧振器和濾波器的關(guān)鍵材料，近年來研究十分活躍。它在原來微波鐵氧體的基礎(chǔ)上，對(duì)配方和制作工藝都進(jìn)行了大幅的改進(jìn)，使之具有介電常數(shù)高、微波損耗低、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能，適于制作現(xiàn)代各種微波器件，如電子對(duì)抗、導(dǎo)航、通訊、雷達(dá)、家用衛(wèi)星直播電視接收機(jī)和移動(dòng)電話等設(shè)備中的穩(wěn)頻振蕩器、濾波器和鑒頻器，能滿足微波電路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。隨著移動(dòng)通信和現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展，微波介質(zhì)陶瓷的研究越來越受到人們的重視，承載著未來微波器件的無限希望。
[0003]微波介質(zhì)諧振器與金屬空腔諧振器相比，具有以下一些優(yōu)點(diǎn):
[0004]( I)小型化(高介電常數(shù)ε r)
[0005]眾所周知，微波電路的集成化是實(shí)現(xiàn)微波設(shè)備小型化、高穩(wěn)定及廉價(jià)的方式之一。在微波電路集成化的進(jìn)程中，金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了平面微帶集成化，微波管實(shí)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，難以與微帶電路集成，可以通過使用微波介質(zhì)陶瓷材料作為制作諧振器`的材料來解決這一難題。諧振器的尺寸和電介質(zhì)材料的介電常數(shù)的平方根成反比。所以電介質(zhì)材料的介電常數(shù)越大，所需要的電介質(zhì)陶瓷體積就越小，諧振器的尺寸也就越小。因此，微波介質(zhì)陶瓷材料的高介電常數(shù)有利于實(shí)現(xiàn)微波介質(zhì)濾波器的小型化，可使濾波器同微波管、微帶線一道實(shí)現(xiàn)微波電路混合集成化，使器件尺寸達(dá)到毫米量級(jí)，其價(jià)格也比金屬諧振腔低廉得多。
[0006](2)高穩(wěn)定性(接近于零的諧振頻率溫度系數(shù)τ f)
[0007]通信器件的工作環(huán)境溫度浮動(dòng)較大。如果微波介質(zhì)材料的諧振頻率溫度系數(shù)較大，則濾波器的載波信號(hào)在不同的溫度下就會(huì)產(chǎn)生漂移，從而嚴(yán)重影響設(shè)備的使用性能。這就要求材料具有良好的諧振頻率溫度穩(wěn)定性。溫度的實(shí)際要求范圍大致是一 40°C?+100°C，在這個(gè)范圍內(nèi)，材料的諧振頻率溫度系數(shù)Tf不高于10ppm/°C。目前，己實(shí)用化的微波介質(zhì)陶瓷材料的頻率溫度系數(shù)可達(dá)0ppm/°C，從而可以實(shí)現(xiàn)了器件的高穩(wěn)定性和高可靠性。
[0008](3)低損耗(高品質(zhì)因數(shù)Q)
[0009]濾波器的一個(gè)重要指標(biāo)是插入損耗低，微波介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗是影響介質(zhì)濾波器插入損耗的一個(gè)重要因素。微波介質(zhì)材料的Q值與介質(zhì)損耗tan δ成反比關(guān)系。Q值越大，濾波器的插入損耗就越低。
[0010]Nia5Tia5NbO4屬于四方晶系，晶格參數(shù)為i=b=4.690A，c=3.023A, 1100°C燒結(jié)時(shí)其微波性能為:ε r=56.8,QXf=21100GHz, τ f=79.lppm/X。因此 Nia5Tia5NbO4 體系微波介質(zhì)陶瓷作為微波介質(zhì)材料主要存在以下幾個(gè)問題:(I)燒結(jié)溫度偏高，通過摻雜燒結(jié)助劑降低燒結(jié)溫度后，介電性能會(huì)有明顯的下降；(2) Tf較大，溫度穩(wěn)定性不夠好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的，是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，解決鈮鈦酸鎳(Nia5Tia5NbO4)體系微波介質(zhì)陶瓷τ {較大帶來的弊端，在添加ZnO的基礎(chǔ)上，提供一種介電常數(shù)較高，諧振頻率溫度系數(shù)較小且能保證其具有較高的QXf值的Nia5Tia5NbO4體系微波介質(zhì)陶瓷。
[0012]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0013]一種氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷，其化學(xué)計(jì)量式為=Ni xZnxTia5NbO4,式中 χ=0.1 -0.25 ;
[0014]該氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，具有如下步驟:
[0015]⑴配料
[0016]將原料ZnO、Nb2O5、TiO2、Ni2O3按Ni。.5_xZnxTiQ.5Nb04的化學(xué)計(jì)量比，混合后放入球磨罐中球磨粉碎；球磨介質(zhì)為去離子水和氧化鋯球，球:料:水的重量比均為2:1:0.6 ;再將混合料放入烘箱內(nèi)于90°C烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，過40目篩；
[0017]⑵合成
[0018]將步驟(I)中過篩后粉料，放入坩堝內(nèi)，壓實(shí)，加蓋，在合成爐中于1050°C合成，保溫4h，自然冷卻到室溫，出爐；
[0019]⑶二次球磨
[0020]將步驟(2)的合成料研磨后，放入球磨罐中球磨粉碎，再將球磨后的原料放入烘箱內(nèi)于90°C烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，過40目篩；
[0021]⑷壓片
[0022]將步驟(3)過篩后的粉料，外加質(zhì)量百分比為7wt.%的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒，再將其搗碎，壓制成型為坯件；
[0023](5)排膠
[0024]將步驟(4)的坯件放入馬弗爐中，以5°C /min的速率升溫至650°C，保溫lh，并于200°C和350°C各保溫lh，進(jìn)行有機(jī)物排除；
[0025](6)燒結(jié)
[0026]以ZnTiNb2O8 ?粉料為墊料，將步驟(5)排膠后的坯件放在鋪有墊料的坩堝中，然后將坯件密封埋燒，以5°C /min的升溫速率升溫至1075-1150°C燒結(jié)，保溫4h，隨爐自然冷卻至室溫，制得氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷；
[0027](7)測試微波性能
[0028]將步驟(6)燒結(jié)后的微波介質(zhì)陶瓷，于室溫靜置24h，使用Agilent, N5230C網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其epQXf，Tf微波性能。
[0029]本發(fā)明最佳的化學(xué)計(jì)量式為:NiQ.5_xZnxTiQ.5Nb04，其中x為0.20。
[0030]所述步驟(I)的球磨時(shí)間為6h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘。[0031]所述步驟(3)的球磨時(shí)間為12h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘。
[0032]所述步驟(4)壓制成型的壓強(qiáng)為250MPa。
[0033]所述步驟⑷壓制成型的還件為直徑12mm,厚度5-6mm的圓柱狀還件。
[0034]所述步驟(6)的優(yōu)選的燒結(jié)溫度為1125°C。
[0035]本發(fā)明的有益效果，是以Nia5Tia5NbO4體系微波介質(zhì)陶瓷為基礎(chǔ)，通過配方與工藝的調(diào)整和改進(jìn)，制備出具有較好綜合性能的Ni0.5-xZnxTiQ.5Nb04，式中x=0.1-0.25的微波介質(zhì)陶瓷。本發(fā)明提高了相對(duì)介電常數(shù)，優(yōu)化了諧振頻率溫度系數(shù)，具有較好的綜合性能，其中 εr=62.54、QXf=13500GHz、τf=65ppm/°Co
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明的介電常數(shù)圖譜；
[0037]圖2是本發(fā)明的品質(zhì)因數(shù)Qxf值圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明采用的原料ZnO、Nb2O5JiO2和Ni2O3均為市售的化學(xué)純原料(純度≥99%)。
[0039]本發(fā)明的制備方法如下:
[0040](1)配料
[0041]將原料ZnO、Nb2O5JiO2和Ni2O3按Ni。.5_xZnxTiQ.5Nb04的化學(xué)計(jì)量比，混合后放入球磨罐中球磨粉碎；球磨介質(zhì)為去離子水和氧化鋯球，球:料:水的重量比為2:1:0.6 ;球磨6h，轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分，再將混合料放入烘箱內(nèi)于90°C烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，過40目篩；
[0042](2)合成
[0043]將步驟(1)中過篩后的粉料，放入坩堝內(nèi)，壓實(shí)，加蓋，在合成爐中于1050°C合成，保溫4h，自然冷卻到室溫，出爐；
[0044](3) 二次球磨
[0045]將步驟(2)的合成料研磨后，放入球磨罐中球磨粉碎，球磨時(shí)間12h，轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分，再將球磨后的原料放入烘箱內(nèi)于90°C烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，過40目篩；
[0046](4)壓片
[0047]將步驟(3)過篩后的粉料，外加質(zhì)量百分比為7wt.%的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒，在250MPa的壓強(qiáng)下壓制成直徑12mm,厚度為5-6mm的圓柱狀還件；
[0048](5)排膠
[0049]將步驟(4)的坯件放入馬弗爐中，以5°C /min的速率升溫至650°C，保溫1h，并于200 0C
[0050]和350°C各保溫Ih，進(jìn)行有機(jī)物排除；
[0051](6)燒結(jié)
[0052]以ZnTiNb2O8粉料為墊料，將步驟(5)排膠后的坯件放在鋪有墊料的坩堝中，然后將坯件密封埋燒，以5°C /min的升溫速率升溫至1075-1150°C燒結(jié)，保溫4h，隨爐自然冷卻至室溫，制得氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷；
[0053](7)測試微波性能[0054]將步驟(6)燒結(jié)后的微波陶瓷片，于室溫靜置24h后使用Agilent, N5230C網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其h，QXf，等微波性能。
[0055]具體實(shí)施例如下:
[0056]x=0.1，燒結(jié)溫度 1075 °C,，1100°C，1125 °C，1150°C，分別記為實(shí)施例 1_1、1_2、
1-3、1-4；
[0057]x=0.15，燒結(jié)溫度為 1075。。，，1100°C，1125°C，1150°C，分別記為實(shí)施例 2_1、2_2、
2-3、2-4；
[0058]χ=0.20，燒結(jié)溫度為 1075。。，，1100°C，1125°C，1150°C，分別記為實(shí)施例 3_1、3_2、3_3、3_4 ；
[0059]x=0.25，燒結(jié)溫度為 1075。。，，1100°C，1125°C，1150°C，分別記為實(shí)施例 4_1、4_2、4-3、4-4 ；
[0060]采用Agilent N5230C網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)上述實(shí)施例的微波介電性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果詳見表I。
[0061]表I
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷，其化學(xué)計(jì)量式為:Nia5_xZnxTia5Nb04，式中x=0.1 ?0.25 ; 該氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，具有如下步驟: (1)配料 將原料Zn0、Nb205、Ti02、Ni203按NiQ.5_xZnxTiQ.5Nb04的化學(xué)計(jì)量比，混合后放入球磨罐中球磨粉碎；球磨介質(zhì)為去離子水和氧化鋯球，球:料:水的重量比均為2:1:0.6 ;再將混合料放入烘箱內(nèi)于90°C烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，過40目篩； (2)合成 將步驟(I)中過篩后粉料，放入坩堝內(nèi)，壓實(shí)，加蓋，在合成爐中于1050°C合成，保溫4h，自然冷卻到室溫，出爐； (3)二次球磨 將步驟(2)的合成料研磨后，放入球磨罐中球磨粉碎，再將球磨后的原料放入烘箱內(nèi)于90°C烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，過40目篩； (4)壓片 將步驟(3)過篩后的粉料，外加質(zhì)量百分比為7wt.%的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒，再將其掲碎，壓制成型為 還件； (5)排膠 將步驟(4)的坯件放入馬弗爐中，以5°C/min的速率升溫至650°C，保溫lh，并于200°C和350°C各保溫lh，進(jìn)行有機(jī)物排除； (6)燒結(jié) 以ZnTiNb2O8粉料為墊料，將步驟(5)排膠后的坯件放在鋪有墊料的坩堝中，然后將坯件密封埋燒，以5°C /min的升溫速率升溫至1075?1150°C燒結(jié)，保溫4h，隨爐自然冷卻至室溫，制得氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷； (7)測試微波性能 將步驟(6)燒結(jié)后的微波介質(zhì)陶瓷，于室溫靜置24h，使用Agilent，N5230C網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其eyQXf，Tf微波性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，其最佳的化學(xué)計(jì)量式為:NiQ.5_xZnxTiQ.5Nb04，其中 X 為 0.20。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(I)的球磨時(shí)間為6h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(3)的球磨時(shí)間為12h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(4)壓制成型的壓強(qiáng)為250MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(4)壓制成型的還件為直徑12mm,厚度5?6_的圓柱狀還件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的氧化鋅摻雜鈮鈦酸鎳微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(6)的優(yōu)選的燒結(jié)溫度為1125°C。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK103435347SQ201310386473
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】馬衛(wèi)兵, 陳天凱, 孫清池, 郇正利, 唐翠翠 申請人:天津大學(xué)