CN101172854B - 高频低损耗铁电移相器复相陶瓷材料及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷材料及其制备方法，尤其涉及一种高频低损耗铁电移相器复相陶瓷材料及其制备。本发明的制造方法采用固相合成工艺，按配比称取BaTiO3与SrTiO3，湿法混合，出料置于烘箱中烘干，煅烧合成Ba1-xSrxTiO3；再加入MgO，外加添加剂，混合球磨，煅烧，再球磨，置于烘箱中烘干后制成陶瓷粉料；加入粘结剂造粒，模压制成陶瓷坯体；在高温电炉中烧结成瓷。本发明研制出一种高频低损耗、高介电调谐性的应用于相控阵天线系统的铁电移相器复相陶瓷材料，在同等调谐下国内外报道的介电损耗较大，本发明的铁电移相器复相陶瓷材料介电常数适中，比较容易与移相器匹配。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷材料及其制备方法，尤其涉及一种高频低损耗铁电移相器复相陶瓷材料及其制备。
背景技术
相控阵天线是通过控制天线阵面的相位实现波束在空间的扫描。移相器是相控阵天线工作的重要部件。通过移相器改变相邻天线的相位差，就可以使相控阵天线波束在空间进行电扫描而天线不必转动。到目前为止，铁氧体移相器被认为是使用最为广泛和用量最大的移相器，尽管它的损耗很小，制造技术成熟，但铁氧体移相器具有体积大、制作工艺复杂、生产成本较高、峰值功耗大、传输速度受到限制等固有缺点。铁电陶瓷材料被认为是替代铁氧体材料制作移相器的最佳选择。本发明所涉及的复相陶瓷材料Ba1-xSrxTiO3-MgO作为铁电移相器材料具有以下优异的介电性能：低介电常数；低介电损耗；高的介电调谐性。
多年来，世界上以美国为代表的少数国家对铁电移相器的基础材料进行了深入的研究，取得了较为明显的进展，但仍存在高频损耗大、调谐性较小、介电常数温度稳定性欠佳等不足。我国在铁电移相器制造技术方面研究起步较晚，但是近年来，我国对铁电移相器材料研究非常重视，但微波介电损耗一直是阻碍其作为铁电移相器应用的主要因素。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有的铁电移相器材料高频损耗大、调谐性较小、介电常数温度稳定性欠佳等不足提供一种高频低损耗、高介电调谐性的应用于相控阵天线系统的铁电移相器复相陶瓷材料。本发明的另一目的是为了提供上述材料的制备方法。
本发明的技术方案为：一种高频低损耗铁电移相器复相陶瓷材料，其特征在于其原料由主料和外加添加剂组成，其中主料各组份和各组份占主料总量的质量百分比分别为：BaTiO3：24～36.5％；SrTiO3：15.5～23.5％；MgO：40～60％；外加添加剂的加入量占主料的重量百分比为0.1～1.5％。
其中可掺杂的微量外加添加剂为SnO2、TiO2或MnCO3中的一种或几种。
本发明的制造方法采用固相合成工艺。其具体工艺流程顺序包括如下步骤：
A.按上述配比称取BaTiO3与SrTiO3，用蒸馏水在尼龙罐中湿法混合18～36小时，出料置于烘箱中烘干，过40目筛后在煅烧合成Ba1-xSrxTiO3，其中0.35≤x≤0.65，记为BSTO；
B.按上述配比加入MgO，MgO与BSTO作为主料，外加占主料重量百分比为0.1～1.5％的外加添加剂，用无水乙醇在尼龙罐中混合球磨，出料水浴加热搅拌挥发酒精后过40目筛，煅烧，再球磨，置于烘箱中烘干后过80目筛制成陶瓷粉料；
C.加入占上述制得的陶瓷粉料总量重量百分比为5～10％的聚乙烯醇作粘结剂造粒，在80～150MPa下单轴模压制成陶瓷坯体；
D.所获陶瓷坯体在高温电炉中烧结成瓷。
其中步骤A中粉料与蒸馏水质量比优选为1∶2，出料置于烘箱中烘干，过40目筛后在1000～1200℃煅烧3～5小时合成Ba1-xSrxTiO3(0.35≤x≤0.65)(记为BSTO)；
其中步骤B中用无水乙醇在尼龙罐中混合球磨18～36小时，粉料与无水乙醇质量比为1∶1.5；煅烧温度为1200～1300℃，煅烧时间为3～5小时。再按粉料与蒸馏水质量比为1∶2球磨18～36小时；
步骤C中加入粘结剂为聚乙烯醇(PVA)，优选质量浓度为5％PVA；步骤D中烧结成瓷过程是经4～5小时升温至500℃，2～4小时至1100℃，再经2～3小时到1450～1480℃，保温2～10小时。
有益效果：
本发明研制出一种高频低损耗、高介电调谐性的应用于相控阵天线系统的铁电移相器复相陶瓷材料，在同等调谐下国内外报道的介电损耗较大，一般都大于4.2×10-3。本发明的铁电移相器复相陶瓷材料介电常数适中，比较容易与移相器匹配。
附图说明
图1为本发明陶瓷试样的X-ray衍射图谱，纵坐标为衍射强度，横坐标为衍射角度；
图2为本发明陶瓷试样表面热腐蚀后的SEM图；
图3为本发明陶瓷试样的插入损耗和驻波比图。
图4为本发明陶瓷试样的相移量随直流偏压的变化关系图，纵坐标为相移量，横坐标为直流偏压。
具体实施方式
表1示出本发明具体实施例的各组分含量。
表1铁电移相器复相陶瓷材料各组分的含量
| 样品 | BaTiO<sub>3</sub>(wt％) | SrTiO<sub>3</sub>(wt％) | MgO(wt％) | TiO<sub>2</sub>(wt％) | SnO<sub>2</sub>(wt％) | MnCO<sub>3</sub>(wt％) |
| 1 | 36.50 | 23.50 | 40 | 0.25 | 0.90 | 0 |
| 2 | 30.42 | 19.58 | 50 | 0.20 | 0.75 | 0 |
| 3 | 24.33 | 15.67 | 60 | 0.15 | 0.60 | 0 |
| 4 | 24.33 | 15.67 | 60 | 0.15 | 0.60 | 0.05 |
| 5 | 24.33 | 15.67 | 60 | 0.15 | 0.60 | 0.10 |
| 样品 | BaTiO<sub>3</sub>(wt％) | SrTiO<sub>3</sub>(wt％) | MgO(wt％) | TiO<sub>2</sub>(wt％) | SnO<sub>2</sub>(wt％) | MnCO<sub>3</sub>(wt％) |
| 6 | 24.33 | 15.67 | 60 | 0.15 | 0.60 | 0.15 |
用XRD衍射法对烧结后的陶瓷试样进行物相分析如图1所示，可以证实所得到的陶瓷试样只有BSTO和MgO两相，无第三相生成。以试样5为例，烧结试样表面热腐蚀后扫描电镜的照片如图2所示，可以看出烧结后的陶瓷样品晶粒大小基本均一，排列致密，无晶粒异常长大现象。
本发明采用TH2811型LCR数字电桥测量试样在10kHz下的电容量C、损耗角正切值tanδ，根据电容量C和样品尺寸计算材料的介电常数。采用谐振腔法用Agilent 8722ES网络分析仪测量试样在微波频率下的介电常数和介电损耗。介电调谐性(T)是指试样在无偏压和施加偏压下的介电常数的变化率。本发明采用DGY kV耐压测试仪作为外加直流偏压电源测试试样的调谐性，试样厚度为1.0mm，外加直流偏压为2kV/mm。
表2示出本发明具体实施例的介电性能的测试结果。
表2铁电移相陶瓷材料的介电性能
同时，我们自行研制了铁电介质加载波导移相器，所需样品尺寸为30mm×2.8mm×0.8mm。附加的中心导体板使铁电材料一分为二，仅需施加一半的直流电压就可产生相同的电场强度，由此直流电场强度来控制铁电材料的介电常数。试验中选用的材料是各项介电性能较好的样品5，测试结果如图3、4所示。由图可见，在9GHz时，驻波比为1.06，插入损耗为1.50dB，直流偏置电压为5000V/mm时，相移量可达到254°，可以满足铁电移相器在微波频率下的使用要求。
Claims (5)
1.一种高频低损耗铁电移相器复相陶瓷材料，其特征在于其原料由主料和外加添加剂组成，其中主料各组份和各组份占主料总量的质量百分比分别为：BaTiO3：24～36.5％；SrTiO3：15.5～23.5％；MgO：40～60％；外加添加剂的加入量占主料的重量百分比为0.1～1.5％，其中所述的添加剂为SnO2和TiO2的混合物，或者是SnO2、TiO2和MnCO3的混合物。
2.一种制备如权利要求1所述的材料的方法，其具体步骤为：
A.按上述配比称取BaTiO3与SrTiO3，用蒸馏水在尼龙罐中湿法混合18～36小时，出料置于烘箱中烘干，过40目筛后在煅烧合成Ba1-xSrxTiO3，其中0.35≤x≤0.65，记为BSTO；
B.按上述配比加入MgO，MgO与BSTO作为主料，外加占主料重量百分比为0.1～1.5％的外加添加剂，用无水乙醇在尼龙罐中混合球磨，出料水浴加热搅拌挥发酒精后过40目筛，煅烧，再球磨，置于烘箱中烘干后过80目筛制成陶瓷粉料；
C.加入占上述制得的陶瓷粉料总量重量百分比为5～10％的聚乙烯醇作粘结剂造粒，在80～150MPa下单轴模压制成陶瓷坯体；
D.所获陶瓷坯体在高温电炉中烧结成瓷。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤A中的煅烧温度为1000～1200℃，煅烧时间为3～5小时。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤B中煅烧温度为1200～1300℃，煅烧时间为3～5小时；球磨时间为18～36小时。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤D中烧结成瓷过程是经4～5小时升温至500℃，2～4小时升温至1100℃，再经2～3小时到1450～1480℃，保温2～10小时。
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