CN100463878C - 近零谐振频率温度系数的铌基微波介质陶瓷及其制备方法 - Google Patents

近零谐振频率温度系数的铌基微波介质陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种近零谐振频率温度系数的铌基微波介质陶瓷，由氧化物形式的Ba、Co、Nb、Ca、Ti和Mn组成，其化学式为：(1-x)BaO·0.33(1-x)CoO·0.33(1-x)Nb2O5·xTiO2·xCaO·yMnO2，式中x＝0-0.1，y＝0-0.05。所述的微波介质陶瓷，其组份摩尔份量比为：BaO 100∶CoO 33.33∶Nb2O533.33∶CaO 0-11.11∶TiO20-11.11∶MnO20-5。本发明按(1-x)Ba(Co1/3Nb2/3)O3-x CaTiO3-yMnO2(x＝0-0.1，y＝0-0.05)的配比，将Ba(Co1/3Nb2/3)O3、CaTiO3和MnO2粉料湿磨混合，烘干后加入浓度为5-10%的聚乙烯醇水溶液，加入量占粉末总重量的2-20%，然后于压力为150-300MPa压制成型，在温度为1300-1400℃高温炉中烧成，制成微波介质陶瓷。其克服了Ba(Co1/3Nb2/3)O3微波介质陶瓷谐振频率温度系数偏大并且烧结温度高的缺点，通过掺入CaTiO3和MnO2而获得了一种近零谐振频率温度系数、较低烧结温度并且具有较高品质因子的微波介质陶瓷。

Description

近零谐振频率温度系数的铌基微波介质陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种以氧化物为基础的以成分为特征的陶瓷化合物，更确切地说，是关于一种以铌基复合钙钛矿化合物为主要成分的陶瓷化合物。
背景技术
微波介质陶瓷是微波器件的核心材料。最近十几年来，由于微波技术设备向小型化与集成化，尤其是向民用产品的大产量、低价格化方向的快速发展，使得微波介质陶瓷的研究与实用化迅速发展。应用于微波电路的介质陶瓷，应满足如下介电特性的要求：(1)高的相对介电常数εr以减小器件尺寸，一般要求εr≥20；(2)高的品质因子Q以降低噪音，一般要求Qf≥3000GHz；(3)接近零的谐振频率温度系数τf以保证器件的温度稳定性，一般要求-5ppm/℃≤τf≤5ppm/℃。
Ba(Co1/3Nb2/3)O3微波介质陶瓷(εr≈32，Qf＝63000GHz，τf＝-13ppm/℃)的品质因子高，成本低，主要应用于用于微波高频段(8GHz以上)的领域。但是它的主要缺点是：(1)谐振频率温度系数绝对值偏大；(2)烧结温度高达1450℃左右。这限制了它的使用，一般需要通过掺入其他组分的材料来调节其谐振频率温度系数或降低烧结温度以达到使用要求。如《欧洲陶瓷协会会刊》(Journal of the European Ceramic Society)在2003年的一篇文章《微波谐振器用的低成本、高性能Ba(Zn1/3Nb2/3O3)基材料的开发》(Development of low cost，highperformance Ba(Zn1/3Nb2/3O3)based materials for microwave resonator applications)中报道，采用具有正温度系数的Ba(Zn1/3 Nb2/3)O3(τf＝30ppm/℃)和负温度系数的Ba(Co1/3Nb2/3)O3形成固溶体化合物陶瓷，当Ba(Zn1/3Nb2/3)O3的掺入量为60mol％时，就得到了τf为零的微波介质陶瓷材料(εr＝35.6，Qf＝86000GHz，τf＝0±3ppm/℃)。
发明内容
本发明的目的是克服现有Ba(Co1/3Nb2/3)O3微波介质陶瓷谐振频率温度系数偏大并且烧结温度高的缺点，通过掺入CaTiO3和MnO2材料而获得一种近零谐振频率温度系数、较低烧结温度并且具有较高品质因子的微波介质陶瓷；同时提供Ba(Co1/3Nb2/3)O3基微波介质陶瓷的组成配方和制造该介质陶瓷产品的方法。
本发明的目的是这样实现的：近零谐振频率温度系数的铌基微波介质陶瓷，其特征在于由氧化物形式的Ba、Co、Nb、Ca、Ti和Mn组成，其化学式为：
((1-x)BaO·1/3(1-x)CoO·1/3(1-x)Nb2O5·xTiO2·xCaO·yMnO2，式中x＝2/399-0.1，y＝1/399-0.05。
所述的微波介质陶瓷，其组份摩尔份量比为：BaO 100：CoO 100/3：Nb2O5 100/3：CaO200/397-100/9：TiO2 200/397-100/9：MnO2 100/397-5。
本发明所述陶瓷(1-x)BaO·1/3(1-x)CoO·1/3(1-x)Nb2O5·xTiO2·xCaO·yMnO2(式中x＝2/399-0.1，y＝1/399-0.05)的制备方法，包括如下步骤：
1、以纯度99％BaCO3，99％CoO和99.99％Nb2O5为起始原料，在1100-1200℃保温2-4小时，合成Ba(Co1/3Nb2/3)O3粉料；
2、以纯度99％CaCO3和99％TiO2为起始原料，在1200-1300℃保温4-8小时，合成CaTiO3粉料；
3、然后按(1-x)Ba(Co1/3Nb2/3)O3-x CaTiO3-yMnO2(x＝2/399-0.1，y＝1/399-0.05)的配比，将Ba(Co1/3Nb2/3)O3、CaTiO3和MnO2粉料湿磨混合，烘干后加入浓度为5-10％的聚乙烯醇水溶液，加入量占粉末总重量的2—20％，然后于压力为150—300Mpa压制成型，在温度为1300—1400℃高温炉中烧成，制成微波介质陶瓷。
所述的微波介质陶瓷制备方法，其烧成时间为4—24小时。
本发明克服了Ba(Co1/3Nb2/3)O3微波介质陶瓷谐振频率温度系数偏大并且烧结温度高的缺点，通过掺入CaTiO3和MnO2而获得了一种近零谐振频率温度系数、较低烧结温度并且具有较高品质因子的微波介质陶瓷。
具体实施方式
本发明采用固相反应法制造(1-x)Ba(Co1/3Nb2/3)O3-x CaTiO3-yMnO2近零谐振频率温度系数的铌基微波介质陶瓷。
本发明以纯度99％BaCO3，99％CoO和99.99％Nb2O5为起始原料，按Ba(Co1/3Nb2/3)O3的化学比配料，在无水乙醇中研磨12小时后烘干，在1100-1200℃保温2-4小时合成Ba(Co1/3Nb2/3)O3粉料；以纯度99％CaCO3和99％ TiO2为起始原料，按CaTiO3的化学比配料，在无水乙醇中研磨24小时后烘干，1200-1300℃保温4-8小时合成CaTiO3粉料。按(1-x)Ba(Co1/3Nb2/3)O3-xCaTiO3-yMnO2(x＝2/399-0.1，y＝1/399-0.05)配料，然后以蒸馏水为研磨介质再湿磨24小时左右。烘干后的物料加入浓度为5-10％的聚乙烯醇水溶液，加入量占粉末总重量的2—20％，然后用150—300Mpa的压力压制成型，于1300—1400℃烧成4-24小时。制得的微波介质陶瓷，可用于制作微波介质滤波器、谐振器等。
实施例1-3：
第一步：
Ba(Co1/3Nb2/3)O3的合成：取BaCO3 63.65g、CoO 8.06g、Nb2O5 28.29g在无水乙醇中研磨12小时后烘干，然后在1100℃保温2小时合成Ba(Co1/3Nb2/3)O3。
第二步：
CaTiO3的合成：取CaCO3 55.61g、TiO2 44.39g在无水乙醇中研磨24小时后烘干，然后在1250℃保温6小时合成CaTiO3。
第三步：
按表1中比例取Ba(Co1/3Nb2/3)O3、CaTiO3粉料及MnO2，湿磨24小时。烘干后的物料加入浓度为5％的聚乙烯醇水溶液5g造粒，然后用200MPa的压力压制成型，于温度1350℃烧成6小时，制得微波介质陶瓷，其在8GHz左右的介电性能检测结果见表2：
表1 微波介质陶瓷的组成
Figure C200610095306D00051
表2 微波介质陶瓷8GHz下的介电性能
Figure C200610095306D00052
本发明的创新在于选择合适的Ba(Co1/3Nb2/3)O3、CaTiO3粉料及MnO2配比，制成广泛用于各种介质谐振器、滤波器等各种微波器件的制造，满足移动通信、卫星通信等系统的技术需要的近零谐振频率温度系数的铌基微波介质陶瓷。

Claims (4)

1.近零谐振频率温度系数的铌基微波介质陶瓷，其特征在于，由氧化物形式的Ba、Co、Nb、Ca、Ti和Mn组成，其化学式为：
(1-x)BaO·1/3(1-x)CoO·1/3(1-x)Nb2O5·xTiO2·xCaO·yMnO2，式中x＝2/399-0.1，y＝1/399-0.05。
2.根据权利要求1所述的微波介质陶瓷，其特征在于，其组份摩尔份量比为：BaO 100：CoO 100/3：Nb2O5 100/3：CaO 200/397-100/9：TiO2 200/397-100/9：MnO2 100/397-5。
3.根据权利要求1所述的微波介质陶瓷制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)以纯度99％BaCO3，99％CoO和99.99％Nb2O5为起始原料，在1100-1200℃保温2-4小时合成Ba(Co1/3Nb2/3)O3粉料；
(2)以纯度99％CaCO3和99％TiO2为起始原料，1200-1300℃保温4-8小时合成CaTiO3粉料；
(3)按(1-x)Ba(Co1/3Nb2/3)O3-x CaTiO3-yMnO2(x＝2/399-0.1，y＝1/399-0.05)的配比，将Ba(Co1/3Nb2/3)O3、CaTiO3和MnO2粉料湿磨混合，烘干后加入浓度为5-10％的聚乙烯醇水溶液，加入量占粉末总重量的2—20％，然后于压力为150—300Mpa压制成型，在温度为1300—1400℃高温炉中烧成，制成微波介质陶瓷。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的烧成时间为4—24小时。
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