CN103496959A - 可低温烧结的微波介电陶瓷Li2Ca2Si2O7及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可低温烧结的微波介电陶瓷Li₂Ca₂Si₂O₇及其制备方法。可低温烧结的微波介电陶瓷的化学组成为Li₂Ca₂Si₂O₇。（1）将纯度为99.9%以上的Li₂CO₃、CaCO₃和SiO₂的原始粉末按Li₂Ca₂Si₂O₇化学式称量配料。（2）将步骤（1）原料混合湿式球磨12小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在800℃大气气氛中预烧6小时。（3）在步骤（2）制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在870~900℃大气气氛中烧结4小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，剂量占粉末总质量的3%。本发明制备的陶瓷在870~900℃烧结良好，其介电常数达到7～8，品质因数Qf值高达94000-104000GHz，谐振频率温度系数小，在工业上有着极大的应用价值。

Description

可低温烧结的微波介电陶瓷 Li2Ca2Si2O7 及其制备方法

技术领域

本发明涉及介电陶瓷，特别是涉及在微波频率使用的介质基板、谐振器和滤波器等微波元器件的微波介电陶瓷及其制备方法。

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、介质基片和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、汽车电话、无绳电话、电视卫星接受器和军事雷达等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，应满足如下介电特性的要求：（1）系列化介电常数ε_r以适应不同频率及不同应用场合的要求;（2）高的品质因数Q值或介质损耗tanδ以降低噪音，一般要求Qf≥3000 GHz;(3) 谐振频率的温度系数τ_ƒ尽可能小以保证器件具有好的热稳定性，一般要求-10/℃≤τ_ƒ ≤+10 ppm/℃。国际上从20世纪30年代末就有人尝试将电介质材料应用于微波技术。

根据相对介电常数ε_r的大小与使用频段的不同，通常可将已被开发和正在开发的微波介电陶瓷分为4类。

（1）超低介电常数微波介电陶瓷，主要代表是Al₂O₃-TiO₂、Y₂BaCuO₅、MgAl₂O₄和Mg₂SiO₄等，其ε_r≤20，品质因数Q×f≥50000GHz，τ_ƒ≤10 ppm/°C。主要用于微波基板以及高端微波元器件。

（2）低ε_r和高Q值的微波介电陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta₂O₅, BaO-ZnO-Ta₂O₅或BaO-MgO-Nb₂O₅, BaO-ZnO-Nb₂O₅系统或它们之间的复合系统MWDC材料。其ε_r=25～30, Q=(1～2)×10⁴(在f≥10 GHz下), τ_ƒ≈0。主要应用于f≥8 GHz的卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件。

（3）中等ε_r和Q值的微波介电陶瓷，主要是以BaTi₄O₉、Ba₂Ti₉O₂₀和（Zr、Sn）TiO₄等为基的MWDC材料,其ε_r＝35~40，Q=（6～9）×10³（在f=3～－4GHz下），τ_ƒ≤5 ppm/°C。主要用于4～8 GHz 频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件。

（4）高ε_r而Q值较低的微波介电陶瓷，主要用于0.8～4GHz 频率范围内民用移动通讯系统，这也是微波介电陶瓷研究的重点。80年代以来，Kolar、Kato等人相继发现并研究了类钙钛矿钨青铜型BaO—Ln₂O₃—TiO₂系列(Ln=La、 Sm、 Nd或Pr等,简称BLT系)、复合钙钛矿结构CaO—Li₂O—Ln₂O₃—TiO₂系列、铅基系列材料、Ca_1-xLn_2x/3TiO₃系等高ε_r微波介电陶瓷，其中BLT体系的BaO—Nd₂O₃—TiO₂材料介电常数达到90，铅基系列 (Pb,Ca)ZrO₃介电常数达到105。

以上这些材料体系的烧结温度一般高于1300°C，不能直接与Ag和Cu 等低熔点金属共烧形成多层陶瓷电容器。近年来，随着器件小型化与集成化发展，微波介质陶瓷需要与成本较Au、Pd等金属低的Ag或Cu电极（熔点分别为961℃及1042℃）共烧获得片式多层结构，这就要求材料不仅具有好的微波介电性能，而且其烧结温度要低于Cu、Ag的熔点。目前探索的固有烧结温度低的新材料体系主要是含Bi₂O₃、Li₂O、TeO₂、V₂O₅等低熔点组分的多元复合氧化物，其中包括Bi₂O₃-ZnO-Nb₂O₅体系烧绿石型化合物、BiNbO₄、Bi₂Mo₂O₉、Bi₂W₂O₉、Bi₃SbO₇等Bi基材料；Li_1+x-yM_1-x-3yTi_x+4yO₃(M= Nb, Ta)、Ca(Li_1/3Nb_2/3)O_3-&、Li₂TiO₃、Li₃NbO₄、Li₂MgSiO₄、Li₂MgTiO₄、Li₂(M²⁺)₂Mo₃O₁₂、Li₃(M³⁺)Mo₃O₁₂ (M=Zn, Ca, Al, In)等Li基材料；BaTe₄O₉、Zn₂Te₃O₈、BaTiTe₃O₉等Te基材料。

由于含Bi、Te、Mo等化合物容易与Ag电极发生界面反应以及原料TeO₂有毒使得这些Bi、Te、Mo基材料的应用受到限制。我们对组成为Li₂Ca₂Si­₂O₇的硅酸盐陶瓷进行了烧结特性与微波介电性能研究，结果发现该类陶瓷具有优异的综合微波介电性能同时烧结温度低于900°C，可实现与Ag的低温共烧，可广泛用于各种谐振器和滤波器等微波器件的制造，可满足低温共烧技术及微波多层器件的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低损耗与良好的热稳定性，同时烧结温度低的微波介电陶瓷。

本发明的微波介电陶瓷的化学组成式为：Li₂Ca₂Si­₂O₇。

所述微波介电陶瓷的制备方法具体步骤为：

（1）将纯度为99.9%以上的Li₂CO₃、CaCO₃和SiO₂的原始粉末按Li₂Ca₂Si₂O₇化学式称量配料。

（2）将步骤（1）原料混合湿式球磨12小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在800℃大气气氛中预烧6小时。

（3）在步骤（2）制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在870~900℃大气气氛中烧结4小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，剂量占粉末总质量的3%。

本发明制备的陶瓷在870-900℃烧结良好，其介电常数达到7～8，品质因数Qf值高达94000-104000GHz，谐振频率温度系数小，因此在工业上有着极大的应用价值。

具体实施方式

实施例：

表1示出了构成本发明的不同烧结温度的4个具体实施例及其微波介电性能。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；将Li₂Ca₂Si₂O₇粉料与占粉料质量20%的Ag粉混合、压制成型后，在900℃下烧结4小时；X 射线衍射物相分析与扫描电镜观察都显示Li₂Ca₂Si₂O₇与Ag没发生化学反应，即Li₂Ca₂Si₂O₇可以与Ag电极低温共烧。

本发明决不限于以上实施例。烧结温度的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

本陶瓷可广泛用于各种介质基板、谐振器和滤波器等微波器件的制造，可满足移动通信、卫星通信等系统的技术需要。

表1：

Claims (1)

1.一种硅酸盐作为可低温烧结的微波介电陶瓷的应用，其特征在于所述硅酸盐的化学组成为：Li₂Ca₂Si₂O₇；

所述硅酸盐的制备方法具体步骤为：

（1）将纯度为99.9%以上的Li₂CO₃、CaCO₃和SiO₂的原始粉末按Li₂Ca₂Si₂O₇化学式称量配料;

（2）将步骤（1）原料混合湿式球磨12小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在800℃大气气氛中预烧6小时；

（3）在步骤（2）制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在870~900℃大气气氛中烧结4小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，剂量占粉末总质量的3%。