CN103232235A - 一种低温烧结复合微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温烧结中等介电常数高品质因数微波介质陶瓷材料及其制备方法。该材料由Li₂O-Nb₂O₅-TiO₂系材料及占主晶相重量百分比为1～10%的复合降烧剂组成，通过固相反应，即可得到本发明材料。Li₂O-Nb₂O₅-TiO₂系材料的组成为Li_aNb_bTi_cO₃，其中：2<a<2.2，0.2<b<0.3,0.6<c<0.7。复合降烧剂的制造原料含有：碳酸锂（Li₂CO₃）、氧化锌（ZnO）、三氧化二铝（Al₂O₃）、氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO₂）、三氧化二硼（B₂O₃）和微量添加物组分。本发明制备的低温烧结LTCC微波介质陶瓷在850-900℃烧结良好，中等介电常数（εr为18～24），品质因数Qf高，谐振频率温度系数小，可用于低温共烧陶瓷系统（LTCC）、多层介质谐振器、微波天线、滤波器等微波器件的制造，在工业上有着极大的应用价值。

Description

一种低温烧结复合微波介质陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于介质陶瓷领域，尤其涉及复合微波介质陶瓷材料。

背景技术

微波介电陶瓷是指应用于微波频段（主要是UHF、SHF频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，在现代通讯中被广泛用作谐振器、滤波器、介质基片、介质导波回路等元器件，是现代通信技术的关键基础材料，已在便携式移动电话、电视卫星接收器、军事雷达方面有着十分重要的应用，在现代通讯工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。

应用于微波频段的介电陶瓷，应满足要求：（1）适宜的介电常数以利于器件的小型化（介质元器件的尺寸与介电常数εr的平方根成反比）；（2）介电常数的提高不能牺牲品质因数Qf值（其中Q～1/tanδ，f是谐振频率）；（3）稳定的近零的谐振频率温度系数。Li₂O-Nb₂O₅-TiO₂(LNT)体系中的Li₂TiO₃相体系具有中等介电常数（18～24），高Qf值（>10000），是一种良好的微波介质材料。然而，未掺杂的LNT陶瓷烧结温度却较高（1150℃），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，极大限制了LNT材料的及微波多层器件的发展。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种可低温烧结（850～900℃），具有中等介电常数（18～24），低损耗且频率温度系数稳定的微波介质陶瓷材料及其制备方法。可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，工艺简单，易于工业化生产且材料性能稳定。

本发明材料由Li₂O-Nb₂O₅-TiO₂系材料及占主晶相重量百分比为1～10%的复合降烧剂组成，其特征为：Li₂O-Nb₂O₅-TiO₂系材料的组成为Li_aNb_bTi_cO₃，其中：2<a<2.2，0.2<b<0.3,0.6<c<0.7。复合降烧剂的制造原料含有：碳酸锂（Li₂CO₃）、氧化锌（ZnO）、三氧化二铝（Al₂O₃）、氧化钙（CaO）、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）。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。

其制造方法是：

步骤1：将碳酸锂（Li₂CO₃）、五氧化二铌（Nb₂O₅）、二氧化钛（TiO₂）的原始粉末按Li_aNb_bTi_cO₃组成配料，其中：2<a<2.2，0.2<b<0.3,0.6<c<0.7；

步骤2：将步骤1配好的配料以酒精为溶剂，湿式球磨混合8～24小时，烘干后在800～1000℃大气气氛中预烧4～12小时合成主晶相（Li₂TiO₃相）；

步骤3：将步骤2合成的主晶相（Li₂TiO₃相），加入占主晶相重量百分比的1～10%的复合降烧剂，以酒精为溶剂，湿式球磨混合8～24小时；

步骤4：再次烘干后添加剂量占原料总质量的2～5%的丙烯酸溶液作为粘结剂造粒；

步骤5：干压成型，成型压力200～300Mpa；

步骤6：在850-900℃大气气氛中保温2～4小时，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850-900℃烧结良好，其介电常数从18～24可调，品质因数Qf高（>10000），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。

综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

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，满足欧共体最新出台的RHOS和WEEE的严格标准要求。

2、由传统的烧结工艺1150℃降到900℃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、其介电常数从18～24可调，品质因数Qf高，谐振频率温度系数小。

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

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是实施例1在900度烧结的XRD（X射线衍射图）；

图2是实施例4在875度烧结的XRD；

图3是实施例1在900度烧结的SEM(扫描电镜图)；

图4是实施例3在900度烧结的SEM。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例

本发明材料由Li₂O-Nb₂O₅-TiO₂系材料及占主晶相重量百分比为1～10%的复合降烧剂组成，通过固相反应，即可得到本发明材料。Li₂O-Nb₂O₅-TiO₂系材料的组成为Li_aNb_bTi_cO₃其中：a=2.081，b=0.243,c=0.676。复合降烧剂的制造原料含有：碳酸锂（Li₂CO₃），氧化锌（ZnO），三氧化二铝（Al₂O₃），氧化钙（CaO），二氧化硅（SiO₂），三氧化二硼（B₂O₃）以及微量添加物组分。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，检测方法为GB/T7265.2-1987开式腔法。

表1：

表2：

图1示出实施例1在900度烧结的X射线衍射图，图2示出实施例4在875度烧结的X射线衍射图，由图可见，掺杂降烧剂后无第二相生成；图3示出实施例1在900度烧结的扫描电镜图，图4示出实施例3在900度烧结的扫描电镜图，由图可见，掺杂复合降烧剂极大促进了烧结致密度，从而改善了LNT陶瓷的微波性能。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.一种低温烧结复合微波介质陶瓷材料，其特征在于其化学组成为Li_aNb_bTi_cO₃-xM，其中：2<a<2.2，0.2<b<0.3,0.6<c<0.7，M为复合降烧剂，0.01≤x≤0.1（重量比）。

2.如权利要求1所述微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述复合降烧剂组分及重量百分比为：

碳酸锂：25%～50%、氧化锌：0%～2%、三氧化二铝：0%～30%、氧化钙:0%～3%、二氧化硅：5%～30%、三氧化二硼：20%～40%、微量添加物：0%～5%；所述微量添加物为氧化铜和碳酸锰，两者组份配比（重量比）为1:2～2:1。

3.如权利要求1所述微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：将碳酸锂（Li₂CO₃）、五氧化二铌（Nb₂O₅）、二氧化钛（TiO₂）的原始粉末按Li_aNb_bTi_cO₃组成配料，其中：2<a<2.2，0.2<b<0.3,0.6<c<0.7；

步骤2：将步骤1配好的配料以酒精为溶剂，湿式球磨混合8～24小时，烘干后在800～1000℃大气气氛中预烧4～12小时合成主晶相（Li₂TiO₃相）；

步骤3：将主晶相加入占其重量百分比为1～10%的复合降烧剂，以酒精为溶剂，湿式球磨混合8～24小时，烘干后添加剂量占原料总质量的2～5%的丙烯酸溶液作为粘结剂造粒，压制成型，最后在850-900℃大气气氛中烧结2～4小时，制成微波介质陶瓷材料。

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