一種高品質(zhì)因數(shù)中k值微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子陶瓷及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種高品質(zhì)因數(shù)中Κ值微波介質(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(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。這種材料是近幾十年來隨著移動(dòng)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(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件，可用于移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)等方面。
[0003]無線系統(tǒng)的能耗由多個(gè)因素決定，其中微波無源器件及其電路是信號(hào)傳輸損耗的主要起源。無源器件在無線系統(tǒng)承載著前端電磁波能量接收與發(fā)送、阻抗匹配、能量分配、能量與信號(hào)耦合、頻率選擇等功能，但同時(shí)由于無源器件發(fā)展的滯后性，也使其成為制約通信系統(tǒng)靈敏度、信噪比、帶寬、覆蓋范圍、通信容量、信號(hào)質(zhì)量、輻射強(qiáng)度和系統(tǒng)能耗等一系列性能參數(shù)的主要瓶頸。以移動(dòng)通信基站為例，發(fā)射前端的能耗一般占系統(tǒng)總能耗的60-80%，而發(fā)射出的信號(hào)能量?jī)H占總能量的5-15%左右，其中損耗的能量有相當(dāng)一部分是由無源電路引起的。而發(fā)射端損耗每增加3dB，意味著信號(hào)將減少一半的覆蓋范圍。對(duì)于蜂窩無線通信系統(tǒng)而言，理論上就需要增加一倍的基站數(shù)量來彌補(bǔ)由于損耗增加而導(dǎo)致的覆蓋范圍的縮減。因此，發(fā)展具有超低損耗的新一代微波介質(zhì)器件成為無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，也是目前世界范圍研究開發(fā)的焦點(diǎn)所在。
[0004]綜上所述，尋找、制備與研究具有超低損耗(Qf>20，000GHz)、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(zhì)陶瓷成為了人們當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種高品質(zhì)因數(shù)中K值微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法，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)可調(diào)，化學(xué)組成及制備方法簡(jiǎn)單。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]本發(fā)明公開了一種高品質(zhì)因數(shù)中K值微波介質(zhì)陶瓷，該微波介質(zhì)陶瓷的化學(xué)組成為:(1+0.4x)Ti02-(l-x) CoO-0.2xNb205-0.2xNi0，其中 0.8 彡 x 彡 0.9。
[0008]該微波介質(zhì)陶瓷以金紅石相和鈣鈦礦兩相復(fù)合，Ti元素一部分存在于金紅石相中，另一部分存在于鈣鈦礦相中；Ni元素和Nb元素僅存在于金紅石相中；Co元素僅存在于鈣鈦礦相中。
[0009]所述微波介質(zhì)陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)為26.5?33，微波性能Qf = 28，890GHz?32，430GHz，諧振頻率溫度系數(shù)為-13ppm/°C?+24ppm/°C。
[0010]本發(fā)明還公開了高品質(zhì)因數(shù)中K值微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0011]1)按(λ 9 (1-x) SrO-0.1 (l_x) Ca0-x/4Li20_x/2Ce02-Ti02式中的摩爾比，取鎳、鈷、鈮和鈦的氧化物，混合后經(jīng)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，0.8彡X彡0.9 ;
[0012]2)將樣品燒塊粉碎后經(jīng)二次球磨，再經(jīng)烘干、造粒、過篩，然后將過篩后的顆粒壓制成型，在1250°C?1320°C下燒結(jié)2h成瓷，得到高品質(zhì)因數(shù)中K值微波介質(zhì)陶瓷。
[0013]所述的鎳、鈷、鈮和鈦的氧化物分別為N1、Co203、Nb205和T1 2。
[0014]在進(jìn)行一次球磨和二次球磨時(shí)，每次球磨的時(shí)間為4h?5h，烘干的溫度為100。。?120。。。
[0015]所述的過篩，步驟1)為過120目的篩網(wǎng)，步驟2)為雙層過篩:過60目與120目的篩網(wǎng)。
[0016]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(jí)的球形顆粒。
[0017]所述的步驟2)的燒結(jié)是在空氣氛圍下的燒結(jié)。
[0018]所述的步驟2)的壓制成型是壓制成塊狀或圓柱狀。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0020]本發(fā)明公開的高品質(zhì)因數(shù)中Κ值微波介質(zhì)陶瓷，以富含Ni元素的金紅石相及鈣鈦礦相為主元，在1250°C?1320°C下進(jìn)行燒結(jié)。本發(fā)明根據(jù)晶體化學(xué)原理和電介質(zhì)有關(guān)理論，以N1、Nb及Ti組成的金紅石相及Co、Ti組成的鈣鈦礦相復(fù)合為基礎(chǔ)，通過適當(dāng)?shù)奶沾晒に?，可以在空氣氛圍中燒結(jié)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(zhì)諧振器或?yàn)V波器、陶瓷天線、多芯片組件(MCM)等介質(zhì)材料使用。
[0021]進(jìn)一步地，所述的陶瓷中，以金紅石相和鈣鈦礦兩相復(fù)合為基礎(chǔ)原理。其中Ti 一部分存在于金紅石相中，一部分存在于鈣鈦礦相中；N1、Nb只存在于金紅石相中；Co只存在于鈣鈦礦相中。通過適當(dāng)?shù)奶沾晒に?，在一定燒結(jié)溫度范圍內(nèi)可以形成兩相復(fù)合的致密陶
bL.Ο
[0022]本發(fā)明的高品質(zhì)因數(shù)中Κ值微波介質(zhì)陶瓷材料具有以下特點(diǎn):相對(duì)介電常數(shù)可調(diào)(26.5?33)，微波性能良好(Qf = 28，890GHz?32，430GHz)，諧振頻率溫度系數(shù)近零且易調(diào)控(_13ppm/°C?+24ppm/°C )，化學(xué)組成及制備工藝簡(jiǎn)單。
[0023]本發(fā)明采用了最簡(jiǎn)單有效的固相反應(yīng)燒結(jié)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(yù)燒結(jié)過程使得氧化物進(jìn)行初步的反應(yīng)，通過二次球磨細(xì)化反應(yīng)物的顆粒尺寸，最后通過燒結(jié)過程得到所需要的陶瓷樣品。通過這樣一種簡(jiǎn)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26.5?33之間變化，Qf分布在28，890GHz?32，430GHz，諧振頻率溫度系數(shù)近零且易調(diào)控(_13ppm/°C?+24ppm/°C )，燒結(jié)溫度 1250°C?1320°C。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0025]本發(fā)明公開的高品質(zhì)因數(shù)中K值微波介質(zhì)陶瓷材料的配方表達(dá)式為:(1+0.4x)Ti02-(l-x) Co0-0.2xNb205-0.2xNi0，其中 0.8 彡 x 彡 0.9。
[0026]制備上述高品質(zhì)因數(shù)中K值微波介質(zhì)陶瓷材料具體方法是:
[0027]將化學(xué)原料N1、Co203、Nb205和 T1 2按配方通式(1+0.4x)T1 2-(l_x)Co0-0.2xNb205-0.2xNi0(其中0.8彡x彡0.9)充分混合球磨4?5個(gè)小時(shí)，磨細(xì)后烘干、過篩、壓塊，然后經(jīng)1150°C預(yù)燒，并保溫4.5小時(shí)；
[0028]將預(yù)燒后的塊體進(jìn)行二次球磨，磨細(xì)烘干后造粒，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)雙層過篩；
[0029]將瓷料按需要壓制成型，然后在1250°C?1340°C下燒結(jié)2小時(shí)成瓷，即可得到高品質(zhì)因數(shù)中K值微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0030]實(shí)施例1:
[0031]將分析純度的原料N1、Co203、Nb205和 T1 2按配方(1+0.4χ)Τ?0 2-(1-χ)Co0-0.2xNb205-0.2xNi0 (其中x = 0.8)中的摩爾比配制后，充分混合球磨(200轉(zhuǎn)/分鐘)4個(gè)小時(shí)，然后120°C下烘干、過120目的篩、壓塊，在空氣氛圍下經(jīng)1150°C保溫4.5個(gè)小時(shí)，得到樣品燒塊；
[0032]然后將樣品燒塊粉碎后再進(jìn)行二次球磨，球磨時(shí)間為5小時(shí)，在120°C下烘干后造粒(將粉體與聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米級(jí)的球形顆粒)，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)雙層過篩，即可得到所需瓷料；將瓷料按需要壓制成型，然后在1250°C空氣下燒結(jié)2h成瓷，即可得到高品質(zhì)因數(shù)中K值微