CN103145404A - 一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷及其制备方法 Download PDF

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一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷及制法，该微波介质陶瓷的化学表达式为xBaO+yNb2O5+aY，其中，57wt%≤x≤60wt%，40wt%≤y≤43wt%，0.2wt%≤a≤1wt%，Y为氧化物型的添加剂。本低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷具有较低的烧结温度，较高的品质因数，谐振频率温度系数小且连续可调，能够与金属Ag等进行低温共烧，可广泛应用于滤波器、振荡器、放大器等微波元器件的制造，满足卫星通信、移动通信等系统的技术需求，为中介电常数的低温共烧陶瓷材料提供了新的选择。

Description

一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料科学领域，具体涉及一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷以及该微波介质陶瓷的制备方法。
背景技术
自20世纪50年代微波通信技术开始实际应用以来，其发展势头十分迅猛，随着全球信息化趋势的加强，移动通讯的快速发展，微波通信设备如电话、卫星电视等的需求越来越大，核心微波元器件的小型化和集成化越来越受到人们的重视，这为微波介质陶瓷材料的快速发展提供了广阔的天地。多层共烧陶瓷技术的发展使得微波元器件的小型化和集成化变为的现实，而诞生了不同介电常数适用于各个波段的微波陶瓷材料。在微波陶瓷材料满足一定的介电特性的基础上，人们努力寻找使得烧结温度降低的方法，烧结温度若能降低到900℃左右，则不但降低生产成本、低碳环保，而且可以实现与铜、银等电极材料的共烧，对于微波器件的小型化和集成化的发展有着重大的意义。
目前，中介电常数的微波陶瓷材料体系主要有：BaTi4O9/Ba2Ti9O20体系、(Zr，Sn)TiO4体系、BiNbO4体系等。近年来Ba5Nb4O15微波陶瓷微波材料由于其优异的性能而受到人们的重视，Vineris报道了Ba5Nb4O15微波陶瓷微波材料在1400℃烧结的微波性能：相对介电常数εr=39.3，品质因数Q×f =26337GHz，谐振频率温度系数为τf = 79.1ppm/℃（C. Vineis, P. K. Dabis, T. Negas, and S. Bell, “Microwave Dielectric Properties of Hexagonal Perovskites,” Mater. Res. Bull., 31[5]431-37(1996)）。但是由于其烧结温度过高且谐振频率温度系数过大使得其不能在工业生产中直接应用，国内外的学者也提出了添加助烧剂或者制备复相陶瓷的方法降低Ba5Nb4O15陶瓷的烧结温度和谐振频率温度系数，但是调节范围有限或者不能同时满足低温烧结和保持较高的品质因数。
发明内容
鉴于现有微波介质陶瓷存在的烧结温度高、谐振频率温度系数调节范围有限的缺点，本发明提供一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷及其制备方法，该微波介质陶瓷的相对介电常数在40左右，并且能够实现低温烧结，并且具有较高的品质因数。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷，所述介质陶瓷的化学表达式为xBaO+yNb2O5+aY，其中，57wt%≤x≤60wt%， 40wt%≤y≤43wt%， 0.2wt%≤a≤1wt%，Y为氧化物型的添加剂。
进一步地，所述添加剂为B2O3、V2O5、CaCO3、CuO中的一种或几种。
进一步地，所述微波介质陶瓷相对介电常数εr = 39-44，品质因数Q×f =10460-27500GHz，谐振频率温度系数τf = -28.5 - 55.1ppm/℃。
一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
1).按照化学表达式xBaO+yNb2O5+aY计算各组分质量，其中，57wt%≤x≤60wt%，40wt%≤y≤43wt%，0.2wt%≤a≤1wt%，Y为氧化物型的添加剂，根据BaO质量计算BaCO3质量，选取BaCO3和Nb2O5作为起始原料； 
2).将起始原料以去离子水为介质进行混合球磨24-48小时，烘干后过筛，制得粉料；
3).将粉料在800-1000℃预烧2-3小时；
4).将所述添加剂Y加入到预烧后的粉料中，以去离子水为介质混合球磨24-48小时，烘干过筛，得到混合粉末；加入PVB进行造粒
5).加入粘结剂至混合粉末进行造粒，粘结剂的加入量为混合粉末质量的8%-12%，造粒后过40目筛，压制成坯体；
6). 在250-450℃条件下实施坯体排胶，进而在空气气氛、875-950℃条件下常压烧结2-4小时，即得到上式xBaO+yNb2O5+aY的微波介质陶瓷。
进一步地，所述添加剂为B2O3、V2O5、CaCO3、CuO中的一种或几种。
进一步地，所述粘结剂为PVB(聚乙烯醇缩丁醛)或PVA(聚乙烯醇)等。
进一步地，所述步骤5)中坯体压制成型在100-200MPa的压力下进行。
进一步地，所述步骤6)中坯体排胶过程包含：调节升温速率为3-5℃/min，升温至250℃度开始排胶，385-450℃保温充分排胶4-6小时。排胶毕，可选择升温速率3-5℃/min升温至烧结温度875-950℃。
进一步地，BaCO3和Nb2O5为电子级。
本发明低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷具有较低的烧结温度，烧结温度在875-950℃之间且结构致密，相对介电常数εr=39-44，具有较高的品质因数（Q×f值），谐振频率温度系数小，能够与金属Ag等进行低温共烧，可广泛应用于滤波器、振荡器、放大器等微波元器件的制造，满足卫星通信、移动通信等系统的技术需求，为中介电常数的低温共烧陶瓷材料的应用提供了新的选择。
附图说明
图1为本发明实施例3在900℃附近烧结的SEM照片。
具体实施方式
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明做详细描述。
其中，BaCO3的相对分子量为197.3，BaO的相对分子量为153.3，则按照BaO的质量计算BaCO3的质量方式为：BaCO3的质量=BaO的质量×197.3/153.3。
实施例1
取电子级的734g BaCO3、430g Nb2O5作为起始原料，将起始原料以去离子水为介质进行混合球磨24小时，烘干后过筛，制得粉料；将粉料在950℃预烧3小时，取5g B2O3、3g V2O5作为添加剂加入到预烧后的粉料中，再以去离子水为介质进行球磨30小时，烘干过筛，得到混合粉末；取80g粘结剂PVB加入混合粉末进行造粒，造粒后过40目筛，在100 MPa的压力下压制成坯体；
然后，调节升温速率为4℃/min，升温至250℃度开始对坯体缓慢排胶，425℃保温充分排胶4小时；进而在空气气氛、915℃条件下常压烧结3小时，即得微波介质陶瓷。
实施例2
取电子级的740g BaCO3、425g Nb2O5作为起始原料，将起始原料以去离子水为介质进行混合球磨30小时，烘干后过筛，制得粉料；将粉料在1000℃预烧2小时，取5g B2O3、2g CuO作为添加剂加入到预烧后的粉料中，再以去离子水为介质进行球磨24小时，烘干过筛，得到混合粉末；取120g粘结剂PVB对混合粉末进行造粒，造粒后过40目筛，在150 MPa的压力下进行压制成坯体； 
然后，调节升温速率为4.5℃/min，升温至250℃度开始对坯体缓慢排胶，450℃保温充分排胶4.5小时；进而在空气气氛、950℃条件下常压烧结2小时，即得微波介质陶瓷。
实施例3
取电子级的746g BaCO3、420g Nb2O5作为起始原料，将起始原料以去离子水为介质进行混合球磨40小时，烘干后过筛，制得粉料；将粉料在850℃预烧2.5小时，取5g B2O3、3g V2O5作为添加剂加入到预烧后的粉料中，再以去离子水为介质进行球磨48小时，烘干过筛，得到混合粉末；取90g粘结剂PVB对混合粉末进行造粒，造粒后过40目筛，在200 MPa的压力下进行压制成坯体；
然后，调节升温速率为5℃/min，升温至250℃度开始对坯体缓慢排胶，400℃保温充分排胶5小时；进而在空气气氛、900℃条件下常压烧结4小时，即得微波介质陶瓷。
实施例4
取电子级的753g BaCO3、415g Nb2O5作为起始原料，将起始原料以去离子水为介质进行混合球磨48小时，烘干后过筛，制得粉料；将粉料在880℃预烧2小时，取5g B2O3、2g CaCO3作为添加剂加入到预烧后的粉料中，再以去离子水为介质进行球磨35小时，烘干过筛，得到混合粉末；取80g粘结剂PVB对混合粉末进行造粒，造粒后过40目筛，在120 MPa的压力下进行压制成坯体；
然后，调节升温速率为5℃/min，升温至250℃度开始对坯体缓慢排胶，410℃保温充分排胶5小时；进而在空气气氛、890℃条件下常压烧结4小时，即得微波介质陶瓷。
实施例5
取电子级的759g BaCO3、410g Nb2O5作为起始原料，将起始原料以去离子水为介质进行混合球磨28小时，烘干后过筛，制得粉料；将粉料在920℃预烧2.8小时，取5g B2O3、2g CuO作为添加剂加入到预烧后的粉料中，再以去离子水为介质进行球磨44小时，烘干过筛，得到混合粉末；取110g粘结剂PVA对混合粉末进行造粒，造粒后过40目筛，在180 MPa的压力下进行压制成坯体；
然后，调节升温速率为4℃/min，升温至250℃度开始对坯体缓慢排胶，400℃保温充分排胶6小时；进而在空气气氛、920℃条件下常压烧结2.5小时，即得微波介质陶瓷。
实施例6
取电子级的766g BaCO3、405g Nb2O5作为起始原料，将起始原料以去离子水为介质进行混合球磨35小时，烘干后过筛，制得粉料；将粉料在900℃预烧2.3小时，取5g B2O3、2g CaCO3、2g CuO作为添加剂加入到预烧后的粉料中，再以去离子水为介质进行球磨40小时，烘干过筛，得到混合粉末；取100g粘结剂PVB对混合粉末进行造粒，造粒后过40目筛，在135 MPa的压力下进行压制成坯体； 
然后，调节升温速率为5℃/min，升温至250℃度开始对坯体缓慢排胶，385℃保温充分排胶5小时；进而在空气气氛、890℃条件下常压烧结3.5小时，即得微波介质陶瓷。
实施例7
取电子级的772g BaCO3、400g Nb2O5作为起始原料，将起始原料以去离子水为介质进行混合球磨40小时，烘干后过筛，制得粉料；将粉料在800℃预烧2小时，取3g B2O3作为添加剂加入到预烧后的粉料中，再以去离子水为介质进行球磨40小时，烘干过筛，得到混合粉末；取100g粘结剂PVB对混合粉末进行造粒，造粒后过40目筛，在100 MPa的压力下进行压制成坯体； 
然后，调节升温速率为3℃/min，升温至250℃度开始对坯体缓慢排胶， 395℃保温充分排胶6小时；进而在空气气氛、875℃条件下常压烧结3小时，即得微波介质陶瓷。
实施例1-7中，排胶毕，升温至相应烧结温度的升温速率在3- 5℃/min之间选择，可以和排胶过程的升温速率相同。
实施例1-7微波介质陶瓷组成如表1所示。
 表1 
Figure 328045DEST_PATH_IMAGE001
 实施例1-7制得微波介质陶瓷的性能如表2所示。
 表2 
Figure 510765DEST_PATH_IMAGE002
由表2可知，制得的微波介质陶瓷的介电常数εr为39-44，品质因数Q×f为10460-27500GHz，具有较高的品质因数，谐振频率温度系数τf为-28.5 - 55.1ppm/℃之间，同时烧结温度为875-950℃，具有较低的烧结温度。参照图1为实施例3在900℃附近烧结的SEM照片，由该图1可知，本发明制备出的微波介质陶瓷结构致密。
本发明可广泛应用于滤波器、振荡器、放大器等微波元器件的制造，可满足卫星通信、移动通信等系统的技术需求，为中介电常数的低温共烧陶瓷材料的应用提供了新的选择。
以上通过几个具体实施例对本发明做了详细的说明，这些具体的描述不能认为本发明仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本发明构思、这些描述并结合本领域公知常识作出的任何改进、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷，其特征在于，所述介质陶瓷的化学表达式为xBaO+yNb2O5+aY， 其中， 57wt%≤x≤60wt%，40wt%≤y≤43wt%，0.2wt%≤a≤1wt%，Y为氧化物型的添加剂。
2.根据权利要求1所述的微波介质陶瓷，其特征在于，所述添加剂为B2O3、V2O5、CaCO3、CuO中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的微波介质陶瓷，其特征在于,所述微波介质陶瓷相对介电常数εr =39-44，品质因数Q×f =10460-27500GHz, 谐振频率温度系数τf = -28.5 - 55.1 ppm/℃。
4.一种低温烧结的中介电常数微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1).按照化学表达式xBaO+yNb2O5+aY计算各组分质量，其中，57wt%≤x≤60wt%，40wt%≤y≤43wt%，0.2wt%≤a≤1wt%，Y为氧化物型的添加剂，根据BaO质量计算BaCO3质量，选取BaCO3和Nb2O5作为起始原料； 
2).将起始原料以去离子水为介质进行混合球磨24-48小时，烘干后过筛，制得粉料；
3).将粉料在800-1000℃预烧2-3小时；
4).将所述添加剂Y加入到预烧后的粉料中，以去离子水为介质球磨24-48小时，烘干过筛，得到混合粉末；
5).加入粘结剂至混合粉末进行造粒，粘结剂的加入量为混合粉末质量的8%-12%，造粒后过40目筛，压制成坯体；
6). 在250-450℃条件下实施坯体排胶，进而在空气气氛、875-950℃条件下常压烧结2-4小时，即得到上式xBaO+yNb2O5+aY的微波介质陶瓷。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述添加剂为B2O3、V2O5、CaCO3、CuO中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为PVB或PVA。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中坯体压制成型在100-200MPa的压力下进行。
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中坯体排胶过程包含：调节升温速率为3- 5℃/min，升温至250℃度开始排胶，385-450℃保温充分排胶4-6小时。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，BaCO3和Nb2O5为电子级。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述微波介质陶瓷相对介电常数εr = 39-44，品质因数Q×f =10460-27500GHz，谐振频率温度系数τf  = -28.5 - 55.1 ppm/℃。
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