一種中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷及 其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波介質(zhì)陶瓷是近二十多年發(fā)展起來(lái)的一種新型的功能陶瓷材料。它是指應(yīng)用于 微波頻段（主要是300MHz~300GHz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)濾波器和諧振器的關(guān)鍵材料。該種材料是近幾十年來(lái)隨著移動(dòng) 通信事業(yè)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的新型功能陶瓷材料，其突出特點(diǎn)是介電常數(shù)高、損耗低、 諧振頻率溫度系數(shù)小，并被用來(lái)制成介質(zhì)諧振器、介質(zhì)天線、雙工器、介質(zhì)導(dǎo)波回路、介質(zhì)穩(wěn) 頻振蕩器等微波元件。
[0003] 目前，該些器件已被廣泛應(yīng)用于微波多路通信、微波中繼通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星電 視廣播通信、散射通信、軍用雷達(dá)和衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。近年來(lái)受益于移動(dòng)通 信、航天、軍事、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，微波介質(zhì)陶瓷材料也越來(lái)越受到人們的關(guān)注， 正W驚人速度迅速發(fā)展。
[0004] 綜上所述，隨著微波介質(zhì)陶瓷廣泛應(yīng)用于介質(zhì)諧振器、濾波器、介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)基 板W及介質(zhì)超材料等領(lǐng)域，因此，尋找、制備與研究高介電常數(shù)（et> 40)、低損耗（Qf> 5000GHz)、近零諧振頻率溫度系數(shù)（TCF= 0ppm/°C)、低成本（不含或者含有少量貴重金 屬）、環(huán)保（至少無(wú)鉛，盡量不含或者含有較少有毒原材料）的新型微波介質(zhì)陶瓷成為了人 們當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。
[000引 目前，中介電常數(shù)的微波陶瓷材料體系主要有BaTiA/BasTi化。體系、伍，Sn) Ti04、BiNb04體系等，但存在相對(duì)介電常數(shù)較低（低于40)，燒結(jié)溫度或諧振頻率溫度系數(shù)過(guò) 高等問(wèn)題，使微波陶瓷材料的生產(chǎn)和利用受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 基于上述問(wèn)題，本發(fā)明目的是提供一種中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷，該陶瓷 材料相對(duì)介電常數(shù)較高，微波性能良好，諧振頻率溫度系數(shù)接近零。
[0007] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，該 方法操作簡(jiǎn)單易行。
[000引為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：
[0009] 一種中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷，該陶瓷的組成表達(dá)式為曲&/3佩2/3) xTi〇4+ywt%MnC〇3,其中0. 325《X《0. 4,0. 2《y《0. 5,y為MnC〇3占Zr(1-X) (]\%1/3佩2/3) xTi〇4的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
[0010] 進(jìn)一步的，所述陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)為39. 5~46. 2,品質(zhì)因數(shù)Qf= 23300GHz~ 43500細(xì)Z，諧振頻率溫度系數(shù)為=14. 2卵m/°C~-0. 9卵m/°C。
[0011] 針對(duì)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明還提供一種中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷的制 備方法，包括w下步驟：
[001引 （1)將錯(cuò)、儀、魄、鐵的氧化物和鋪的碳酸鹽按照陶瓷的組成表達(dá)式 (Mgi/3Nb2/3)xTi04+ywt%MnCO進(jìn)行配料混合后充分球磨，然后烘干、過(guò)篩并壓制成塊狀體， 然后在1000°C下保溫化，得到樣品燒塊；
[001引 似將步驟（1)制得的樣品燒塊粉碎后充分球磨，然后烘干、造粒、過(guò)篩，將過(guò)篩后 的顆粒壓制成型，然后在118(TC~1280°C下燒結(jié)化成瓷，得到中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì) 陶瓷。
[0014] 優(yōu)選的，所述錯(cuò)、儀、魄、鐵的氧化物和鋪的碳酸鹽分別為Zr〇2、MgO、佩2〇5、Ti〇2和 MnC〇3〇
[0015] 優(yōu)選的，所述步驟（1)和所述步驟（2)中球磨時(shí)的球磨時(shí)間為化~化，所述步驟 (1)和所述步驟（2)中的烘干溫度為100°C~120°C。
[0016] 優(yōu)選的，所述步驟（1)中過(guò)篩時(shí)使用120目的篩網(wǎng)，所述步驟（2)中過(guò)篩為雙層過(guò) 篩，使用的為60目和120目的篩網(wǎng)。
[0017] 優(yōu)選的，所述步驟（2)中造粒時(shí)將粉體與聚己締醇水溶液混合后制成微米級(jí)球形 顆粒。
[0018] 優(yōu)選的，所述步驟（2)中的燒結(jié)在空氣氣氛下進(jìn)行。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0020] 1.采用本發(fā)明的技術(shù)方案，WZrTiO途紅石相為基礎(chǔ)，其中Zr4+與（Mgi/3Nb2/3r復(fù) 合離子共同占據(jù)A位，Ti4+離子占據(jù)B位，復(fù)合離子（Mg1/3佩2/3) 可完全進(jìn)入ZrTiO4晶相形 成固溶體，通過(guò)滲雜Mn"離子使Zr 曲肖1/3佩2/3)Ji〇4陶瓷能夠在空氣氛圍中進(jìn)行燒結(jié)，燒 結(jié)溫度較低，得到的陶瓷材料介電常數(shù)較高、微波性能良好、諧振頻率溫度系數(shù)趨近于零；
[0021] 2.本發(fā)明采用的技術(shù)方案，選取原料氧化物和碳酸鹽，通過(guò)一次球磨使得氧化物 和碳酸鹽均勻混合，然后經(jīng)過(guò)預(yù)燒結(jié)使氧化物和碳酸鹽進(jìn)行初步反應(yīng)，通過(guò)二次球磨細(xì)化 反應(yīng)區(qū)顆粒的尺寸，最后通過(guò)燒結(jié)得到陶瓷樣品，該制備方法操作簡(jiǎn)單易行，制得的微波陶 瓷樣品性能優(yōu)越。
【具體實(shí)施方式】
[0022] W下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方案做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)理解，該些實(shí)施例是用于說(shuō)明 本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可W根據(jù)具體廠家的條件做 進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。
[0023] 本發(fā)明中使用的測(cè)試方法
[0024] 微波頻段下，目前精確測(cè)量低損耗材料介電性能最好的方法是介質(zhì)諧振器法。 它的測(cè)試靈敏度高，測(cè)試準(zhǔn)確，借助Agilent8720ES網(wǎng)絡(luò)分析儀（頻率范圍為50MHz~ 20GHz)通過(guò)閉式諧振腔法能夠精確測(cè)量材料的品質(zhì)因數(shù)，即介質(zhì)試樣由低介電常數(shù)、低損 耗的聚四氣己締支柱支撐，置于金屬屏蔽腔內(nèi)，通過(guò)探針禪合環(huán)激勵(lì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試 得出此時(shí)出現(xiàn)唯一的諧振峰，即為TEwi模式；當(dāng)蓋上腔蓋后，其他模式的諧振峰會(huì)發(fā)生移 動(dòng)，而TE。。模式的諧振峰移動(dòng)不大。確定TE。11模式諧振峰后仔細(xì)調(diào)節(jié)諧振峰的形狀，使之 達(dá)到最佳禪合狀態(tài)，然后讀取TEwi模式諧振峰的中屯、諧振頻率f。、有載斯值和插入損耗，通 過(guò)計(jì)算軟件得出微波介質(zhì)陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)和QXf值。
[0025]用DeltaDesi即生產(chǎn)的Delta9023型高低溫循環(huán)箱和網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試諧振頻率 溫度系數(shù)Tf。將測(cè)試夾具放入高低溫箱中，測(cè)其在25°C時(shí)的諧振頻率，然后對(duì)其加熱85°C， 測(cè)其在85°C時(shí)的諧振頻率，根據(jù)式（1)計(jì)算出樣品的諧振頻率溫度系數(shù)Tf。具體換算關(guān) 系由（1)式給出：
[酬r-二為或貼"^巧)xl06 (1)
[0027]式中，fsg代表25°C時(shí)樣品的諧振頻率，f85代表85°C時(shí)樣品的諧振頻率。
[00測(cè) 實(shí)施例1
[0029] 按照陶瓷組成表達(dá)式2町675^肖1/3佩2/3)。.325了1〇4+〇.2"*%111〇)3稱取原料2州2、1徑0、 佩2〇5、Ti化和MnC〇3,充分混合后W2(K)r/min的速度球磨化，然后在120°C條件下烘干，過(guò) 120目篩網(wǎng)后壓塊，在空氣氛圍、1000°C條件下保溫化，得到樣品燒塊；將樣品燒塊粉碎后 進(jìn)行二次球磨，球磨時(shí)間為化，在120°C條件下烘干，將粉體與聚己締醇的水溶液混合，制 成微米級(jí)的球形顆粒，經(jīng)60目和120目的篩網(wǎng)雙層過(guò)篩，得到60目到120目的所需瓷料， 將瓷料壓制成型，在128(TC空氣條件下燒結(jié)化，即得到中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷材 料。
[0030] 經(jīng)測(cè)試陶瓷材料的性能指標(biāo)為：微波下的相對(duì)介電常數(shù)et= 41. 5(5. 82GHz)，品 質(zhì)因子Q二4000,Qf= 23300細(xì)z,微波下的諧振頻率溫度系數(shù)TCF= -14. 2卵m/C(測(cè)試 溫度區(qū)間為25°C~85°C)。
[0031] 實(shí)施例2
[00對(duì)按照陶瓷組成表達(dá)式21'。.675^肖1/3佩2/3)。.325了104+0.5"1%1110)3稱取原料21'02、1徑0、 佩205、Ti化和MnC03,充分混合后W2(K)r/min的速度球磨化，然后在120°C條件下烘干，過(guò) 120目篩網(wǎng)后壓塊，在空氣氛圍、1000°C條件下保溫化，得到樣品燒塊；將樣品燒塊粉碎后 進(jìn)行二次球磨，球磨時(shí)間為化，在120°C條件下烘干，將粉體與聚己締醇的水溶液混合，制 成微米級(jí)的球形顆粒，經(jīng)60目和120目的篩網(wǎng)雙層過(guò)篩，得到60目到120目的所需瓷料， 將瓷料壓制成型，在1280°C空氣條件下燒結(jié)化，即得到中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷材 料。
[0033]經(jīng)測(cè)試陶瓷材料的性能指標(biāo)為：微波下的相對(duì)介電常數(shù)et=42. 9 (5. 66GHz)，品 質(zhì)因子Q= 7350,Qf= 41600細(xì)z，微波下的諧振頻率溫度系數(shù)TCF= -13. 2卵m/°C(測(cè)試 溫度區(qū)間為25°C~85°C)。
[0034] 實(shí)施例3
[0035] 按照陶瓷組成表達(dá)式2町65曲肖1/3佩2/3)。.35了1〇4+〇. 2wt%MnC〇3稱取原料Zr〇2、MgO、 佩2〇5、Ti化和MnC〇3,充分混合后W2(K)r/min的速度球磨化，然后在120°C條件下烘干，過(guò) 120目篩網(wǎng)后壓塊，在空氣氛圍、1000°C條件下保溫化，得到樣品燒塊；將樣品燒塊粉碎后 進(jìn)行二次球磨，球磨時(shí)間為化，在120°C條件下烘干，將粉體與聚己締醇的水溶液混合，制 成微米級(jí)的球形顆粒，經(jīng)60目和120目的篩網(wǎng)雙層過(guò)篩，得到60目到120目的所需瓷料， 將瓷料壓制成型，在126(TC空氣條件下燒結(jié)化，即得到中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷材 料。
[0036]經(jīng)測(cè)試陶瓷材料的性能指標(biāo)為：微波下的相對(duì)介電常數(shù)et=42. 2 (5. 88GHz)，品 質(zhì)因子Q= 7400,Qf= 43500細(xì)z，微波下的諧振頻率溫度系數(shù)TCF= -13. 5卵m/°C(測(cè)試 溫度區(qū)間為25°C~85°C)。
[0037] 實(shí)施例4
[0038] 按照陶瓷組成表達(dá)式Zr。.e日曲肖1/3佩2/3)。.3日Ti〇4+〇.4wt%MnC〇3稱取原料ZrO 2、MgO、 佩2〇5、Ti化和MnC〇3,充分混合后W2(K)r/min的速度球磨化，然后在120°C條件下烘干，過(guò) 120目篩網(wǎng)后壓塊，在空氣氛圍、1000°C條件下保溫化，得到樣品燒塊；將樣品燒塊粉碎后 進(jìn)行二次球磨，球磨時(shí)間為化，在120°C條件下烘干，將粉體與聚己締醇的水溶液混合，制 成微米級(jí)的球形顆粒，經(jīng)60目和120目的篩網(wǎng)雙層過(guò)篩，得到60目到120目的所需瓷料， 將瓷料壓制成型，在126(TC空氣條件下燒結(jié)化，即得到中介電常數(shù)低損耗微波介質(zhì)陶瓷材 料。
[0039]經(jīng)測(cè)試陶瓷材料的性能指標(biāo)為：微波下的相對(duì)介電常數(shù)et=42. 3 (5. 87GHz)，品 質(zhì)因子Q二7260, Qf=42600細(xì)z,微波下的諧振頻率溫度系數(shù)TCF=-13. 3卵m/ C(測(cè)試 溫度區(qū)間為25°C~85°C)。
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