CN103396106B - 一种低介电常数微波介质陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低介电常数微波介质陶瓷及其制备方法。本发明的特点是其摩尔份数组成为：CaCO₃占25份，MgO占17.5～24.9份，SiO₂占42.5～49.9份，Al₂O₃占0.1～7.5份；其制备过程如下：将各原材料按摩尔份数混合球磨后干燥，然后在1175℃～1225℃煅烧得到陶瓷粉体；将上述陶瓷粉体重新球磨，然后添加聚乙烯醇水溶液进行造粒、成型、排胶，再在1225℃～1300℃烧结即可。本发明的优点是：制备的微波介质陶瓷具有较低的介电常数，其原材料价格低廉，通过铝元素对镁和硅的取代，拓宽了硅酸盐陶瓷的烧结温度范围，保障了微波器件性能的一致性，具有良好的工业应用价值。

Description

一种低介电常数微波介质陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低介电常数微波介质陶瓷及其制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

现代无线通讯技术对人类社会的发展起到了极大的推动作用。近年来，随着信息量的日益增大，对需要传送的信息容量以及传输速度要求越来越高。为解决低频段的拥挤并扩大频率资源，无线通信正朝更高频段的方向发展；相应的微波技术也向着更高频率，即向着毫米波和亚毫米波的方向发展。

目前，以高速传输数据并能传送图像为特征的第三代(3G)移动通信系统已经得到广泛应用；在电视接收系统(TVRO，2-5GHz)、直接广播系统(DBS，11-13GHz)等民用领域，其频率使用范围已经超过了10GHz；特别是在军事通信领域，由于雷达技术的高速发展，使得无线通讯的频率发展到了X波段(8.2-12.4GHz)与K波段(12-40GHz)。无线通信使用频率的提高，要求作为信息技术基本组成元素的电子元器件具有较高的自谐振中心频率(f₀)。高的自谐振中心频率对应着低的介电常数(ε_r)。低介电常数能减小材料与电极之间的交互耦合损耗，并提高电信号的传输速率；发展低介电常数(ε_r≤10)材料以满足高频和高速的要求，已成为当今电子材料如何适应高频应用的一个挑战。

传统常用的低介微波介质陶瓷是Al₂O₃陶瓷，该陶瓷具有较低的介电常数(ε_r≈10)和高的Q×f值(680,000GHz)，已经在高性能微波元器件上得到了广泛应用。然而，氧化铝陶瓷的烧结温度高达1700℃，很难实现与金属电极的共烧，目前仅用于制备单层的微波元器件。除氧化铝陶瓷外，硅酸盐系微波介质陶瓷也是目前应用最广的低介电常数材料之一，如MgO-SiO₂系、ZnO-SiO₂系、CaO-SiO₂系等。Cheng等(JAlloyComp,2012,513:373-377)报道了Mg₂SiO₄陶瓷的介电常数为6-7，但发现该体系的烧结温度区间非常窄。Zou等(JapJApplPhy,2006,45:4143-4145)研究发现，ZnO-SiO₂即使在高温下也很难烧结致密，只有当SiO₂过量时可细化晶粒、阻止晶粒的异常长大，可以获得介电常数为6.23，Q×f为52,500GHz，τ_f为-55.2ppm/℃的良好介电性能。Wang等(CeramInt,2008,34:1405-1408)发现，无论是采用传统的固相法还是溶胶-凝胶法，均无法获得致密结构的CaSiO₃陶瓷，从而影响了CaSiO₃陶瓷的微波介电性能。Sun等(MatSciEngB,2007,138:46-50)通过Mg²⁺对Ca²⁺的取代，获得具有良好微波介电性能的CaMgSi₂O₆陶瓷；然而，其烧结温度局限在1290-1310℃之间。

从上述国内外研究结果可知，硅酸盐系微波介质陶瓷具有低的介电常数和良好的品质因数，但其烧成温度范围较窄，从而影响到微波器件产品的一致性。因此，拓宽硅酸盐陶瓷的烧结温度范围、提高其微波介电性能，是硅酸盐低介陶瓷更为广泛应用的关键。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种具有较宽烧成温度范围、性能优良的低介电常数微波介质陶瓷及其制备方法。

本发明提出的低介电常数微波介质陶瓷，其摩尔份数组成为：

作为优选，本发明提出的低介电常数微波介质陶瓷，其摩尔份数组成为：

作为最佳选择，本发明提出的低介电常数微波介质陶瓷，其摩尔份数组成为：

本发明提出的制备低介电常数微波介质陶瓷的方法，包括下述步骤：

(1)将CaCO₃、MgO、SiO₂和Al₂O₃按摩尔份数混合，然后以无水乙醇为介质，球磨12～36小时；

(2)将步骤(1)球磨后的原料干燥，然后在1175℃～1225℃煅烧2小时，得到白色的陶瓷粉体；

(3)将步骤(2)得到的陶瓷粉体重新球磨，然后添加聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，混合后进行造粒、成型、排胶，然后在1225℃～1300℃烧结1～3小时，获得本发明的微波介质陶瓷。

本发明具有以下有益效果：通过Al³⁺离子对Mg²⁺和Si⁴⁺的同时取代，合成了一种新型的Ca(Mg,Al)(Si,Al)₂O₆系陶瓷，当Al³⁺离子的取代量达到一定合适值时，本发明的低介电常数微波介质陶瓷具有较宽的烧结温度范围，可以从20℃拓宽到50℃以上，从而有效提高了微波器件性能的一致性，同时获得优良的微波介电性能。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步描述。

实施例1：

按摩尔数称取25份CaCO₃，24份MgO，49份SiO₂和1份Al₂O₃，然后以无水乙醇为介质，混合球磨36小时。将上述球磨后的原材料进行干燥，然后在1225℃煅烧2小时，获得陶瓷粉体。将上述陶瓷粉体重新球磨，然后添加8wt%的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，充分混合后进行造粒，然后在150Mpa的压力下成型，排胶后在1275℃烧结3小时，即获得本发明的微波介质陶瓷。采用排水法测试上述陶瓷的体积密度，结果为3.13g·cm^-3；测试其微波介电性能，结果为ε_r=7.84，Q×f=57,770GHz，τ_f=40.01ppm/℃。

实施例2：

按摩尔数称取25份CaCO₃，22份MgO，47份SiO₂和3份Al₂O₃，然后以无水乙醇为介质，混合球磨12小时。将上述球磨后的原材料进行干燥，然后在1200℃煅烧2小时，获得陶瓷粉体。将上述陶瓷粉体重新球磨，然后添加8wt%的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，充分混合后进行造粒，然后在150Mpa的压力下成型，排胶后在1250℃烧结1.5小时，即获得本发明的微波介质陶瓷。采用排水法测试上述陶瓷的体积密度，结果为3.11g·cm^-3；测试其微波介电性能，结果为ε_r=7.91，Q×f=59,632GHz，τ_f=42.87ppm/℃。

重新按上述工艺制备样品，然后分别在1275℃与1300℃烧结2小时，陶瓷的体积密度分别为3.15g·cm^-3和3.12g·cm^-3，显示出较宽的烧结温度范围。

实施例3：

按摩尔数称取25份CaCO₃，20份MgO，45份SiO₂和5份Al₂O₃，然后以无水乙醇为介质，混合球磨24小时。将上述球磨后的原材料进行干燥，然后在1200℃煅烧2小时，获得陶瓷粉体。将上述陶瓷粉体重新球磨，然后添加8wt%的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，充分混合后进行造粒，然后在150Mpa的压力下成型，排胶后在1250℃烧结2小时，即获得本发明的微波介质陶瓷。采用排水法测试上述陶瓷的体积密度，结果为3.09g·cm^-3；测试其微波介电性能，结果为ε_r=8.02，Q×f=60,203GHz，τ_f=44.18ppm/℃。

实施例4：

按摩尔数称取25份CaCO₃，17.5份MgO，42.5份SiO₂和7.5份Al₂O₃，然后以无水乙醇为介质，混合球磨28小时。将上述球磨后的原材料进行干燥，然后在1175℃煅烧2小时，获得陶瓷粉体。将上述陶瓷粉体重新球磨，然后添加8wt%的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，充分混合后进行造粒，然后在150Mpa的压力下成型，排胶后在1250℃烧结1小时，即获得本发明的微波介质陶瓷。采用排水法测试上述陶瓷的体积密度，结果为2.98g·cm^-3；测试其微波介电性能，结果为ε_r=8.15，Q×f=43,747GHz，τ_f=44.96ppm/℃。

Claims (3)

1.一种低介电常数微波介质陶瓷，其特征在于结构式为Ca(Mg,Al)(Si,Al)₂O₆，原材料的摩尔份数组成为：

CaCO₃ 25份

MgO 20～24份

SiO₂ 45～48份

Al₂O₃ 1～5份。

2.根据权利要求1所述的低介电常数微波介质陶瓷，其特征在于原材料的摩尔份数组成为：

CaCO₃ 25份

MgO 22份

SiO₂ 47份

Al₂O₃ 3份。

3.制备权利要求1所述的低介电常数微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于制备方法包括下述步骤：

(1)将CaCO₃、MgO、SiO₂和Al₂O₃按摩尔份数混合，然后以无水乙醇为介质，球磨12～36小时；

(2)将步骤(1)球磨后的原料干燥，然后在1175℃～1225℃煅烧2小时，得到白色的陶瓷粉体；

(3)将步骤(2)得到的陶瓷粉体重新球磨，然后添加聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，混合后进行造粒、成型、排胶，然后在1225℃～1300℃烧结1～3小时，获得所述的微波介质陶瓷。