CN103113105A - 低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷及制备方法 - Google Patents

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Abstract

低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷及制备方法,涉及电子材料技术。本发明以原料计算,组分为:氧化钡:15%~18%;三氧化二钕:10%~36%;三氧化二钐:0%~26%;二氧化钛:30%~35%;氧化锌:0%~2%;三氧化二铝:0%~3%;氧化钙:0%~3%;碳酸锂:0%~5%;二氧化硅:0%~5%;三氧化二硼:0%~4%;微量添加物:0%~5%;以上为重量百分比。本发明性能上有较大提升,传统配方在降低烧结温度的同时,介电常数降低(53~65),Qf减小。

Description

低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷及制备方法
技术领域
本发明涉及电子材料技术,特别涉及应用于卫星通信中介质谐振器、滤波器、振荡器等微波器件中的低温高介电常数微波介质陶瓷及其制备方法。
背景技术
现代电子通讯技术的快速发展加速了微波介电材料的研究进程。然而,电子通讯电路所需要的器件越来越要求微小型,轻便型以及高度集成化,因此,基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术所做成的器件得到了越来越多的关注。目前越来越多的陶瓷材料研究大多数都朝着高介电、低损耗和高品质因数等方向发展。
Ba6-3xNd8+2xTi18O54(BNT,x=2/3)材料具有较高的介电常数(80~85)以及高品质因数Qf(90000~10000GHz)以及可调的谐振频率温度系数。然而,未掺杂的BNT陶瓷烧结温度却高达1350℃,不能直接与Ag、Cu等低熔点金属共烧。为了降低烧结温度,传统的方法一种为掺入低熔点氧化物,如B2O3及V2O5,然而游离的B2O3及V2O5在后期流延过程中易导致浆料粘度过大而不稳定,限制了其实际应用;另一种方法是掺入低熔点玻璃,但玻璃相的存在大大提高了材料的介质损耗,且玻璃在熔炼过程中性能不稳定,成本较高,因而,虽然已有研究关注无玻璃相的低温高介电陶瓷,但实际生产中能应用的体系并不多,极大限制了低温共烧技术及微波多层器件的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可低温烧结(900~1000℃),具有高介电常数(60~70),低损耗(Qf值~5000)且频率温度系数稳定的微波介质陶瓷及其制备方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是,低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷,以原料计算,组分为:
氧化钡:15%~18%          三氧化二钕:10%~36%
三氧化二钐:0%~26%       氧化钛:30%~35%
氧化锌:0%~2%            三氧化二铝:0%~3%
氧化钙:0%~3%             碳酸锂:0%~5%
二氧化硅:0%~5%          三氧化二硼:0%~4%
微量添加物:0%~5%
以上为重量百分比。
所述微量添加物为氧化铜和碳酸锰。或者,所述微量添加物为氧化铜或碳酸锰。
本发明还提供低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷制备方法,包括下述步骤:
(1)原料准备:按重量百分比,原料组分为:
氧化钡:15%~18%          三氧化二钕:10%~36%
三氧化二钐:0%~26%       氧化钛:30%~35%
氧化锌:0%~2%            三氧化二铝:0%~3%
氧化钙:0%~3%             碳酸锂:0%~5%
二氧化硅:0%~5%          三氧化二硼:0%~4%
微量添加物:0%~5%;
(2)按分子式的摩尔分数比,将氧化钡、三氧化二钕、三氧化二钐、二氧化钛的粉末按Ba4(Nd1-xSmx26/3Ti18O54组成配料,其中,0≤x≤0.7;
(3)将步骤(2)配好的原料球磨混合;
(4)将磨好的粉料烘干后预烧;
(5)在预烧好的粉末中添加余下的原料,湿式球磨混合;
(6)再次烘干后造粒:
(7)干压成型;
(8)在900-1000℃大气气氛中保温,排胶烧结制成微波介质陶瓷。
进一步的说,步骤(3)为湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水;
步骤(4)为:磨好的粉料烘干后放入高温炉中,在1100℃大气气氛中预烧6小时;
步骤(6)中,再次烘干后添加剂量占原料总质量为3%的丙烯酸溶液作为粘结剂造粒:
步骤(7)中,成型压力200~300Mpa。
与现有技术相比,本发明具有以下特点:
(1)本发明的配方不含重金属成分,可在高频领域产品中应用,绿色环保无污染,满足欧洲最新RHOS和WEEE的严格标准要求。
(2)由传统的烧结工艺1350℃降到1000℃以下,烧结温度的进一步降低,有节能优势。
(3)烧结助剂使用复合低共熔点氧化物及微量添加剂,进一步改善了传统烧结助剂的缺点,如:无法与流延工艺匹配的低熔点氧化物(B2O3及V2O5);或高成本且性能不稳定的低熔点玻璃。
(4)性能上有较大提升,传统配方在降低烧结温度的同时,介电常数降低(53~65),Qf减小(2000~4000GHz),谐振频率温度系数大于±30ppm,本发明的配方介电常数60~70,Qf值约5000GHz,谐振频率温度系数小于±20ppm以内。
(5)本发明可广泛应用于卫星通信中介质谐振器、滤波器、振荡器等微波器件中的低温高介电常数微波介质核心材料,具有重要工业应用价值。
附图说明
图1为实施例2-6的x光粉末衍射射线图。
图2为实施例2-5的表面形貌扫描电镜图(a,b,c,d分别为实施例2,3,4,5,)。
具体实施方式
低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷,以重量百分比计算,本发明的原料中为:
氧化钡:15%~18%          三氧化二钕:10%~36%
三氧化二钐:0%~26%       氧化钛:30%~35%
氧化锌:0%~2%            三氧化二铝:0%~3%
氧化钙:0%~3%             碳酸锂:0%~5%
二氧化硅:0%~5%          三氧化二硼:0%~4%
微量添加物:0%~5%;
上述含量包括端值。
将上述组分经过称量、混合球磨、煅烧、粉碎、造粒、成型、排胶和烧结的固相反应工序烧结成微波介质陶瓷。
本发明还提供低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷的制备方法,包括下述步骤:
(1)将氧化钡(BaO),三氧化二钕(Nd2O3),三氧化二钐(Sm2O3),二氧化钛(TiO2)的原始粉末按Ba4(Nd1-xSmx26/3Ti18O54组成配料,其中,0≤x≤0.7;
(2)将步骤(1)配好的原料放入球磨机的料筒中湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水;
(3)将磨好的粉料烘干后放入高温炉中,在1100℃大气气氛中预烧6小时;
(4)在预烧好的粉末中添加步骤(1)余下的原料,即氧化钡(BaO),氧化锌(ZnO),三氧化二铝(Al2O3),氧化钙(CaO),碳酸锂(Li2CO3),二氧化硅(SiO2),三氧化二硼(B2O3)以及微量添加物组分,再次湿式球磨混合12小时;
(5)再次烘干后添加剂量占原料总质量为3%的丙烯酸溶液作为粘结剂造粒:
(6)干压成型,成型压力200~300Mpa
(7)在900-1000℃大气气氛中保温2h,排胶烧结一次完成制成微波介质陶瓷。
本发明采用氧化物与添加剂混合固相反应法制备的陶瓷在900-1000℃烧结良好,其介电常数高(60~70),品质因数Qf高(~5000),谐振频率温度系数小,且国内原料成本低,在工业上有着极大的应用价值,加速国产微波陶瓷的大量应用。
实施例:
本发明的制造原料中含有:氧化钡(BaO),三氧化二钕(Nd2O3),三氧化二钐(Sm2O3),二氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),三氧化二铝(Al2O3),氧化钙(CaO),碳酸锂(Li2CO3),二氧化硅(SiO2),三氧化二硼(B2O3)以及微量添加物组分,微量添加物包括:氧化铜(CuO)和碳酸锰(MnCO3)组分。表1示出了构成本发明的各成分含量的几个具体实施例的数据,表2给出各实施例的微波介电性能。其制备方法如上所述,用圆柱介质谐振器法进行微波介电性能的评价。
表1:
Figure BDA00002750062000041
表2
Figure BDA00002750062000042

Claims (5)

1.低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷,以原料计算,组分为:
氧化钡:15%~18%          三氧化二钕:10%~36%
三氧化二钐:0%~26%       氧化钛:30%~35%
氧化锌:0%~2%            三氧化二铝:0%~3%
氧化钙:0%~3%             碳酸锂:0%~5%
二氧化硅:0%~5%          三氧化二硼:0%~4%
微量添加物:0%~5%
以上为重量百分比。
2.如权利要求1所述的低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷,其特征在于,所述微量添加物为氧化铜和碳酸锰。
3.如权利要求1所述的低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷,其特征在于,所述微量添加物为氧化铜或碳酸锰。
4.低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷制备方法,其特征在于,包括下述步骤:
(1)原料准备:按重量百分比,原料组分为:
氧化钡:15%~18%          三氧化二钕:10%~36%
三氧化二钐:0%~26%       氧化钛:30%~35%
氧化锌:0%~2%            三氧化二铝:0%~3%
氧化钙:0%~3%             碳酸锂:0%~5%
二氧化硅:0%~5%          三氧化二硼:0%~4%
微量添加物:0%~5%;
(2)按分子式的摩尔分数比,将氧化钡、三氧化二钕、三氧化二钐、二氧化钛的粉末按Ba4(Nd1-xSmx26/3Ti18O54组成配料,其中,0≤x≤0.7;
(3)将步骤(2)配好的原料球磨混合;
(4)将磨好的粉料烘干后预烧;
(5)在预烧好的粉末中添加余下的原料,湿式球磨混合;
(6)再次烘干后造粒:
(7)干压成型;
(8)在900-1000℃大气气氛中保温,排胶烧结制成微波介质陶瓷。
5.如权利要求4所述的低温烧结的高介电常数微波介电陶瓷制备方法,其特征在于,
步骤(3)为湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水;
步骤(4)为:磨好的粉料烘干后放入高温炉中,在1100℃大气气氛中预烧6小时;
步骤(6)中,再次烘干后添加剂量占原料总质量为3%的丙烯酸溶液作为粘结剂造粒:
步骤(7)中,成型压力200~300Mpa。
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