CN102417350A - 一种低成本温度稳定型微波介质陶瓷材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本温度稳定型微波介质陶瓷材料及制备方法，该微波介质陶瓷材料的化学组成式为：(1～x)Li₂ZnTi₃O₈+xM；其中，0.025≤x≤0.1，M为TiO₂或CaTiO₃。以纯度≥99％的Li₂CO₃、ZnO和TiO₂为主要原料，先按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3，预先煅烧合成Li₂ZnTi₃O₈主粉体，然后在主粉体中加入TiO₂或CaTiO₃来调节其谐振频率温度系数，从而获得介电常数与Q×f高，谐振频率温度系数近零的微波介质材料。本发明制备的微波介质陶瓷，其烧结温度低于1100℃，介电常数达到26～31，Q×f值高达40000～70000GHz，谐振频率温度系数(τ_f)小；可用于谐振器、天线、滤波器等微波器件的制造。

Description

一种低成本温度稳定型微波介质陶瓷材料及制备方法

技术领域

本发明属于电子陶瓷及其制造领域，涉及一种低成本温度稳定型微波介质陶瓷材料及制备方法。

背景技术

微波介质陶瓷是近30年发展起来的一种新型的功能陶瓷，主要是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。具有高介电常数、低介电损耗、近零谐振频率温度系数的微波介质陶瓷可用于制造介质谐振器、滤波器、介质天线、稳频振荡器和片式电容器等微波元器件而广泛应用于通信、雷达、导航、电子对抗、制导、全球卫星定位系统(GPS)等领域，成为现代通信技术的关键基础材料。

根据介电性能的不同，微波介质陶瓷可以分为两类，一类是低介电常数和高品质因子材料，如Al₂O₃，Zn₂SiO₄和Mg₄Ta₂O₉等；另一类是高介电常数和中等品质因子材料，如TiO₂，BaO-Nd₂O₃-TiO₂和BaO-TiO₂-Nb₂O₅等。在不同组成的微波介质陶瓷中，复合钙钛矿结构的Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃和Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃因为具有优异的微波介电性而被广泛应用于各种微波器件。但是这些材料通常需要高的致密化温度(≥1600℃)，从而造成了能源的巨大浪费，同时Ta属于贵金属，成本高。因此，开发出烧结温度低、原料便宜的微波介质陶瓷越来越受到人们的广泛关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、高性能温度稳定型的微波介质陶瓷材料及制备方法。

本发明涉及的微波介质陶瓷材料的化学组成式为：(1～x)Li₂ZnTi₃O₈+xM；其中，0.025≤x≤0.1，M为TiO₂或CaTiO₃。

微波介质陶瓷材料的制备方法具体步骤为：

1)将纯度≥99％的Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3，配制成主粉体；

2)将步骤(1)配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将步骤(2)制成的烧块粉碎得Li₂ZnTi₃O₈粉体，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶TiO₂(或CaTiO₃)＝(0.9～0.975)∶(0.025～0.1)向其粉体中加入TiO₂(或CaTiO₃)得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到生瓷料，再将生瓷料在1050～1100℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。

本发明制备的微波介质陶瓷，其烧结温度低(≤1100℃)，微波性能优异：介电常数(ε_r)大，Q×f值高以及τ_f近零；可用于谐振器、微波天线、滤波器等微波器件的制造。

具体实施方式

实施例1：

1)首先将纯度≥99％的Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎得Li₂ZnTi₃O₈粉体，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶TiO₂＝0.975∶0.025向其粉体中加入TiO₂得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1050℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝26.8，Q×f＝70940GHz，τ_f＝-12.3ppm/℃。

实施例2：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎得Li₂ZnTi₃O₈粉体，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶TiO₂＝0.95∶0.05向其粉体中加入TiO₂得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1050℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝27.2，Q×f＝60000GHz，τ_f＝-7.3ppm/℃。

实施例3：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎得Li₂ZnTi₃O₈粉体，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶TiO₂＝0.925∶0.075向其粉体中加入TiO₂得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1075℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝27.5，Q×f＝57080GHz，τ_f＝-3.2ppm/℃。

实施例4：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎得Li₂ZnTi₃O₈粉体，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶TiO₂＝0.9∶0.1向其粉体中加入TiO₂得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1100℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝29.5，Q×f＝48180GHz，τ_f＝4.5ppm/℃。

实施例5：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎得Li₂ZnTi₃O₈粉体，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶CaTiO₃＝0.975∶0.025向其粉体中加入CaTiO₃得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1050℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝26.8，Q×f＝70780GHz，τ_f＝-10.8ppm/℃。

实施例6：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎得Li₂ZnTi₃O₈粉体，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶CaTiO₃＝0.95∶0.05向其粉体中加入CaTiO₃得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1050℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝27.4，Q×f＝53540GHz，τ_f＝-6.4ppm/℃。

实施例7：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎得Li₂ZnTi₃O₈粉体，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶CaTiO₃＝0.925∶0.075向其粉体中加入CaTiO₃得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1050℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝29.3，Q×f＝47920 GHz，τ_f＝-1.4ppm/℃。

实施例8：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎得Li₂ZnTi₃O₈粉体，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶CaTiO₃＝0.9∶0.1向其粉体中加入CaTiO₃得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1050℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝30.6，Q×f＝42150GHz，τ_f＝6.2ppm/℃。

需要指出的是，按照本发明的技术方案，上述实施例还可以举出许多，根据申请人大量的实验结果证明，在本发明的权利要求书所提出的范围，均可以达到本发明的目的。

Claims (2)

1.一种微波介质陶瓷材料，其特征在于微波介质陶瓷材料的化学组成式为：(1～x)Li₂ZnTi₃O₈+xM；其中，0.025≤x≤0.1，M为TiO₂或CaTiO₃。

2.根据权利要求1所述微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

1)将纯度≥99％的Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶1∶3，配制成主粉体Li₂ZnTi₃O₈；

2)将步骤(1)配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4小时，制成烧块；

3)将步骤(2)制成的烧块粉碎，再按摩尔比Li₂ZnTi₃O₈∶TiO₂或CaTiO₃＝(0.9～0.975)∶(0.025～0.1)向粉碎的烧块中加入TiO₂或CaTiO₃得粉料，按照粉料与酒精的质量比为1∶1向粉料中加入酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶4小时，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1050～1110℃下烧结2小时即可得到微波介质陶瓷材料。