CN100378026C

CN100378026C - 低损耗高频介质陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN100378026C
Application number: CNB2005100162007A
Authority: CN
Inventors: 李玲霞; 孙晓东; 明翠; 王大鹏; 王洪儒
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2025-11-21
Also published as: CN1792998A

Abstract

本发明公开了一种低损耗高频介质陶瓷及其制备方法，其原料及摩尔百分比为， Ag₂O40-50%， Nb₂O₅ 10-40%， Ta₂O₅ 10-40%；外加 MnO₂ 重量百分比为1-3%。采用预合成先驱体方法，先制备出 (Nb_xTa_1-x)₂O₅ ，其中X＝0.2-0.8，再在先驱体中加入一定比例的分析纯 Ag₂O ，让混合物在氧化气氛下反应生成 Ag(Nb_xTa_1-x)O₃ ，其中X＝0.2-0.8，再按一定比例加入 MnO₂ 。本发明是制备高频介质器件的关键材料。

Description

低损耗高频介质陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明是关于以成分为特征的陶瓷组合物及其制备方法，更确切地说，是关于低损耗高频介质陶瓷及其制备方法。

背景技术

在现代通讯中，高频介质元器件是影响通讯质量的关键元件之一，而高频介质瓷料是制备高频介质器件的关键材料。因此高频材料的制备对通讯行业的发展起着举足轻重的作用。众所周知，材料的制备及其性能是对工艺十分敏感的。同样的材料，以不同的工艺制备而得，其性能可能相去甚远。因此合理的制备工艺对提高介质材料的介电性能非常重要。

对于高频介质材料而言，制备工艺十分复杂，不同的系统、不同的用途，工艺要求也会有很大的区别。合理优良的工艺可以进一步提高介质材料的性能。对于高频介质陶瓷系统，其优良的高频特性是高频元器件制造的基础。

Ag(Nb_yTa_1-y)O₃(简写为ANT)系统是一种新型的高频介质系统，有关研究相当少，只是在近些年来ANT系统具有的ε高(ε＞400)，tgδ＜18×10^-4的特性逐渐引起了人们的注意。以A.Kania等为首的一些科研工作者对ANT系统进行了一些初步研究。但是其介电性能并不理想，当损耗tgδ＜10×10^-4时，系统的电容量温度系数为较大的负值α_ε＝-500～-100ppm/℃。

A.Kania和G.E.Kugal等人分别于1986年和1987年对AgNbO₃和AgTaO₃系统进行了深入研究。ANT介质陶瓷材料有两种制备方法：第一种方法是将Ag₂O、Nb₂O₅和Ta₂O₅按照实验配比均匀混合并于特定温度下进行固相反应合成ANT系统。第二种方法是先将Nb₂O₅和Ta₂O₅按照实验配比预先混合均匀，在1200℃左右预烧制备出前驱体。然后再将Ag₂O按比例加入前驱体均匀混合，最后烧制成ANT介质陶瓷。F.Zimmermann等人于2004年在Journal ofEuropean Ceramic Society发表的《可调微波介质Ag(Ta，Nb)O₃的研究》中提到其制备的Ag(Nb，Ta)O₃系统的介电常数为310，温度系数可调。

ANT系统在烧结过程中很容易分解，影响系统的电性能，以系统中Nb⁵⁺/Ta⁵⁺＝1为例，系统的分解反应为：

这种分解将引起系统损耗的急剧增加，因此抑止这种分解是制备该瓷料系统降低损耗的关键。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种低损耗高频介质陶瓷及其制备方法。

本发明通过以下技术方案予以实现。

本发明低损耗高频介质陶瓷，其原料及摩尔百分比为，Ag₂O 40-50％，Nb₂O₅ 10-40％，Ta₂O₅ 10-40％；外加MnO₂重量百分比为1-3％。

本发明低损耗高频介质陶瓷的制备方法，具体步骤如下：

①将Nb₂O₅，Ta₂O₅分别按摩尔比10-40％及10-40％配料，用料∶去离子水∶磨球＝1∶1∶1.5的比例加入球磨罐，球磨4-6h；出料后于110℃烘干；于1000-1200℃烧制成熔块；

②在熔块中加入摩尔比为40-50％的Ag₂O，用料∶去离子水∶磨球＝1∶1∶1.5的比例加入球磨罐，球磨6-12h；再于800-900℃烘干制得陶瓷粉体；

③在陶瓷粉体中加入重量百分比为1-3％的MnO₂，4-6 h，于110℃烘干；

④加入重量百分比为7-9％的石蜡作为黏合剂造粒，压制成Φ10mm，厚度为1-1.5mm的圆片形生坯，经3.5h升温至550℃进行排蜡，再经2h升温至1050℃-1150℃煅烧，保温4-8h，制得陶瓷试样；

⑤将所得试样上下表面涂覆银浆，经800℃-840℃烧渗制备电极；

⑥焊接引线、测试分析后制得高频介质陶瓷。

所述步骤①预合成先驱体为(Nb_xTa_1-x)₂O₅，其中X＝0.2-0.8。

所述步骤②的混合物在氧化气氛下反应生成Ag(Nb_xTa_1-x)O₃，其中X＝0.2-0.8。

所述步骤④的煅烧温度为1050℃。

本发明的有益效果是提供了一种低损耗的高频介质陶瓷，并改善了系统的介电性能，同时提供了一种采用先驱体法制备低损耗高频介质陶瓷的方法。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不局限于实施例。

本发明以分析纯Nb₂O₅、Ta₂O₅为原料，采用预合成先驱体方法，先制备出(Nb_xTa_1-x)₂O₅，其中X＝0.2-0.8，再在先驱体中加入一定比例的分析纯Ag₂O，让混合物在氧化气氛下反应生成Ag(Nb_xTa_1-x)O₃，其中X＝0.2-0.8，再按一定比例加入MnO₂。

固相反应中，加入的少量非反应物或者可能存在于原料中的杂质常会对反应产生一些特殊的作用。这些物质就是所谓的矿化剂。它们在反应中不与反应物或生成物起化学反应，而是以不同的方式和程序影响着反应的某些环节。关于矿化剂的机理是复杂多样，可因反应体系的不同而完全不同。但是可以认为矿化剂是以某种方式参与到固相反应过程中去。矿化剂在反应过程中所起的作用大致可以分为：①影响晶核的生成速率。②影响结晶速率及晶格机构。③降低体系共熔点，改善液相性质。本实验中为了改善系统的烧结性能，经过实验选择了MnO₂为矿化剂，用以改善系统的性能。具体实施例如下。

实施例1：

称取12g Nb₂O₅，12g Ta₂O₅，混合球磨4h，于干燥箱内110℃烘干，再于1200℃烧制成熔块。称取16g Ag₂O加入上述熔块中，球磨6h，烘干后于800℃制得粉体。再在上述粉体中加入0.4g MnO₂，混合球磨4h，烘干。再加入7％石蜡，造粒，压成直径为10mm、厚度为1mm的圆形生坯。于高温电阻箱内经3.5h升至550℃进行排蜡，再经2h升温至1150℃，保温4h。将所得试样上下表面涂覆银浆，经800℃烧渗制备电极；焊接引线、测试分析后制得高频介质陶瓷。

实施例2：

称取12g Nb₂O₅，12g Ta₂O₅混合球磨4h，于干燥箱内110℃烘干，再于1100℃烧制成熔块。称取16g Ag₂O加入上述熔块中，球磨8h烘干后于850℃制得粉体.再在上述粉体中加入0.8g MnO₂，混合球磨4h，烘干。加入7％石蜡，造粒，压成直径为10mm、厚度为1mm的圆形生坯。于高温电阻箱中经3.5h升至550℃进行排蜡，再经2h升温至1130℃，保温4h。将所得试样上下表面涂覆银浆，经820℃烧渗制备电极；焊接引线、测试分析后制得高频介质陶瓷。

实施例3：

称取10g Nb₂O₅，16g Ta₂O₅，混合球磨5h，于干燥箱内110℃烘干，再于1000℃烧制成熔块。称取14g Ag₂O加入上述熔块中，球磨10h烘干后于900℃制得粉体。再在上述粉体中加入1g MnO₂，混合球磨5h，烘干。加入8％石蜡，造粒，压成直径为10mm、厚度为1.5mm的圆形生坯，于高温电阻箱中经3.5h升至550℃进行排蜡，再经2h升温至1100℃，保温6h。将所得试样上下表面涂覆银浆，经800℃烧渗制备电极；焊接引线、测试分析后制得高频介质陶瓷。

实施例4：

称取10g Nb₂O₅，16g Ta₂O₅，混合球磨6h，于干燥箱内110℃烘干，再于1000℃烧制成熔块。称取14g Ag₂O加入上述熔块中，球磨12h烘干后于900℃制得粉体。再在上述粉体中加入1.2g MnO₂，混合球磨6h，烘干。加入9％石蜡，造粒，压成直径为10mm、厚度为1mm的圆形生坯，于高温电阻箱中经3.5h升至550℃进行排蜡，再经2h升温至1050℃，保温8h。将所得试样上下表面涂覆银浆，经840℃烧渗制备电极；焊接引线、测试分析后制得高频介质陶瓷。

本发明检测方法如下：

一、圆片形介质的介电常数的检测

利用HP4278A电容仪测量样品的电容量C，根据公式(2-1)计算样品的介电常数。

ϵ = \frac{14.4 \times C \times d}{D^{2}} - - - (2 - 1)

其中：C为试样的电容量，单位为pF。

D为试样的直径，单位为cm。

d为试样的厚度，单位为cm。

二、样品温度特性的测试及温度系数的计算

利用WAYNE KEER Multi Bridge 6425测试仪器和GZ-ESPEC MC-710P高低温循环温箱相互配合，测量不同温度下样品的电容量，完成样品温度特性的测试。材料的容量温度系数按照下式计算：

α_{c} = \frac{1}{C_{0}} \cdot \frac{C_{1} - C_{0}}{T_{1} - T_{0}} \times 10^{6}

(ppm/℃)(2-2)

其中：T₀-室温(25℃)

T₁-测试温度(85℃)

C₀-样品在T₀时的电容量(PF)

C₁-样品在温度为T₁时的电容量(PF)

三、样品绝缘电阻的测量及材料体电阻率的计算

利用ZC36型超高电阻测试仪测量样品的绝缘电阻，利用下式计算材料的体电阻率ρ_v：

ρ_{v} = \frac{R_{i} \times π {\times D}^{2}}{4 d} (Ω \cdot cm) - - - (2 - 3)

其中：R_i-样品的绝缘电阻(Ω)

D-样品的直径(cm)

d-样品的厚度(cm)

四、样品介电损耗的测量

利用HP4278A电容仪测量样品的介电损耗tgδ(1MHz)。

本发明实施例的检测结果与现有技术的对比参数详见表1。

表1

编号	损耗角正切值tgδ(×10^-4)(1MHz)	介电常数(1MHz)	电容量温度系数α_c(ppm/℃)	绝缘电阻率ρ_v(Ω·cm)
编号	损耗角正切值tgδ(×10^-4)(1MHz)	介电常数(1MHz)	电容量温度系数α_c(ppm/℃)	绝缘电阻率ρ_v(Ω·cm)	实施例1	6.6	430	89	＞10¹²
实施例2	6.0	455	25	＞10¹²	实施例1	6.6	430	89	＞10¹²
实施例2	6.0	455	25	＞10¹²	实施例3	6.6	420	-21	＞10¹²
实施例4	7.0	412	-80.3	＞10¹²	实施例3	6.6	420	-21	＞10¹²
实施例4	7.0	412	-80.3	＞10¹²	现有技术	18	300-400	-500-300	＞10¹¹

本发明已通过较佳实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围的情况下对本文所述的技术方案适当变更与组合，来实现本发明。所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。

Claims

1.一种低损耗高频介质陶瓷，其特征在于，其原料及摩尔百分比为，Ag₂O 40-50％，Nb₂O₅ 10-40％，Ta₂O₅ 10-40％；外加MnO₂重量百分比为1-3％；

其制备方法的具体步骤如下：

①将Nb₂O₅，Ta₂O₅分别按摩尔比10-40％及10-40％配料，用料∶去离子水∶磨球＝1∶1∶1.5的比例加入球磨罐，球磨4-6h；出料后于110℃烘干；再于1000-1200℃烧制成熔块；

③在陶瓷粉体中加入重量百分比为1-3％的MnO₂，球磨4-6h，于110℃烘干；

④加入重量百分比为7-9％的石蜡作为黏合剂造粒，压制成Ф10mm，厚度为1-1.5mm的圆片形生坯，经3.5h升温至550℃进行排蜡，再经2h升温至1050℃-1150℃煅烧，保温4-8h，制得陶瓷试样；

⑥焊接引线、测试分析后制得高频介质陶瓷。

2.根据权利要求1所述的低损耗高频介质陶瓷，其特征在于，所述步骤①预合成先驱体为(Nb_xTa_1-x)₂O₅，其中X＝0.2-0.8。

3.根据权利要求1所述的低损耗高频介质陶瓷，其特征在于，所述步骤②的混合物在氧化气氛下反应生成Ag(Nb_xTa_1-x)O₃，其中X＝0.2-0.8。

4.根据权利要求1所述的低损耗高频介质陶瓷，其特征在于，所述步骤④的煅烧温度为1050℃。