CN103771711A

CN103771711A - 高品质因数的微晶玻璃及其制备方法

Info

Publication number: CN103771711A
Application number: CN201310719709.2A
Authority: CN
Inventors: 王慧娟; 林慧兴; 李泊涛; 陈玮; 罗澜
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: CN103771711B

Abstract

本发明公开了一种微晶玻璃，其由下列组分组成（wt%）：11～16%的MgO、19～22%的Al₂O₃、26～31%的SiO₂、15～21%的TiO₂和17～23%的La₂O₃。本发明通过增加组分中MgO的含量，提高微晶玻璃中低损耗相的含量，使得微晶玻璃在10GHz左右的频率下的介电常数可保持在8.6～10，品质因数则高达28000～32600GHz，介电损耗为3.6×10^-4～4×10^-4。

Description

高品质因数的微晶玻璃及其制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种高品质因数的微晶玻璃及其制备方法，属于微波介质材料技术领域。

背景技术

随着微波通讯的不断发展，微波介质材料的研究有了突飞猛进的发展，被广泛应用于军事、航空航天、电子封装等领域。通过控制晶化得到的微晶玻璃，兼具玻璃和陶瓷的特点，由于具有显微结构均匀、无气孔、加工可适应性强、各项性能可通过改变玻璃的化学组成和热历史在大范围内可调等独特的优点，引起研究者的广泛关注。

德国专利DE2700333提出了一种MgO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂-REO_x系统微晶玻璃材料，具体组成为MgO5～15wt%、Al₂O₃20～30wt%、SiO₂31～45wt%、TiO₂15～25wt%、REO_x14～17wt%，其中REO_x为CeO₂、La₂O₃、Pr₂O₃、Nd₂O₃四种稀土氧化物，此材料的介电常数约为10，介电损耗(3～5)×10^-4，可用作集成电路的基板或者代替氧化铝陶瓷。而该微晶玻璃由于同时引入多种稀土氧化物使得系统变得复杂，难以保证工艺上的重复性、稳定性和均匀性。中国专利CN 1202469A只引入单一的稀土氧化物CeO₂，材料组成为MgO5～10wt%、Al₂O₃18～25wt%、SiO₂28～35wt%、TiO₂18～27wt%、CeO₂13～19wt%，其介电常数在9～15之间，同时介电损耗也能控制在6×10^-4以下（f>1GHz），是一类实用的高频低损耗微波介质材料。为进一步提高介电常数，中国专利CN1250754A通过增加TiO₂的含量形成以金红石相为主晶相的微晶玻璃，从而使介电常数在大于1GHz的频率下最高可达到20。随后，中国专利CN1459101A为了改善玻璃的形成能力和扩大材料的晶化范围，显著增加玻璃形成体SiO₂和玻璃中间体Al₂O₃的含量，降低高介电常数组分TiO₂，将材料的介电常数扩展至7～11的较低范围，其组成为MgO7～9wt%、Al₂O₃24～29wt%、SiO₂33～46wt%、TiO₂7～18wt%、CeO₂16～20wt%。

本申请的发明人曾就MgO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂-La₂O₃（MASTL）系统微晶玻璃（申请号CN201310504591.1）向中国专利局提交了申请，材料的具体组成为：MgO6～9wt%、Al₂O₃19～27wt%、SiO₂26～37wt%、TiO₂15～21wt%、CeO₂0～7wt%、La₂O₃7～32wt%，其在10GHz左右的频率下的介电常数为9～13，介电损耗为4.6×10^-4～5.8×10^-4。而该专利申请的微晶玻璃的品质因数Q×f较低，在信号传输过程中损耗较高，信噪比较差，若能进一步提高其Q×f，能优化现有器件的性能，并扩展其应用范围。

发明内容

本发明针对专利申请CN201310504591.1中系统微晶玻璃的品质因数Qf较低，在信号传输过程中损耗较高的技术问题，目的在于提供一种高品质因数的微晶玻璃。

本发明高品质因数的微晶玻璃由下列组分组成：

11～16%的MgO、19～22%的Al₂O₃、26～31%的SiO₂、15～21%的TiO₂和17～23%的La₂O₃，所述%均为质量百分比。

本发明的微晶玻璃的晶相主要包括堇青石相、硅钛铈矿相、尖晶石相和镁铝钛酸盐相，还可包括金红石相。所述微晶玻璃的形状可为棒状、板状或片状。本发明通过增加组分中MgO的含量，提高微晶玻璃中低损耗相的含量，使得微晶玻璃在10GHz左右的频率下的介电常数保持在8.6～10可允许的范围内，品质因数则高达28000～32600GHz，介电损耗为3.6×10^-4～4×10^-4。

本发明通过控制MgO的含量，可以有效控制物相析出的种类和含量。增加原始玻璃中MgO的含量，微晶玻璃中堇青石相和硅钛铈矿相的含量在小范围内波动，尖晶石和镁铝钛酸盐相的含量增多，金红石相的含量逐渐减少直至消失。相对CN201310504591.1中的品质因数Qf=19000～25000GHz，本发明的微晶玻璃有了显著地提高，这主要与尖晶石相和镁铝钛酸盐相的含量增多有关，而介电常数保持在10左右。

表1本发明的微晶玻璃的性能

本发明的另一目的在于提供一种制备本发明的微晶玻璃的方法，该方法依次包括如下步骤：

步骤A)按比例称取11～16%的MgO、19～22%的Al₂O₃、26～31%的SiO₂、15～21%的TiO₂和17～23%的La₂O₃，并混合均匀得待浇铸原料，所述%均为质量百分比；

步骤B)将待浇铸原料于1450～1530℃熔融保温2～4小时，浇铸成型，再在退火炉中于620～660℃保温3～5小时，随炉冷却至室温以制得原始玻璃；

步骤C)将原始玻璃通过一步晶化法或两步晶化法于1150～1250℃进行热处理以制得所述微晶玻璃。

本发明的方法中，所述一步晶化法是指以1～10℃/min的速度升温至1150～1250℃，然后保温2～10小时进行热处理。所述两步晶化法是指先以1～10℃/min的速度升温至750～790℃，保温2～4小时，然后继续以1～10℃/min的速度升温至1150～1250℃，保温2～8小时进行热处理。

步骤B)得到的原始玻璃在可见光波段透明。

本发明的积极进步效果在于：本发明使用来源丰富而廉价的化工原料，只需控制一价碱金属含量小于0.5%即可；且工艺简单，易于控制；增加MgO的含量，能显著提高微晶玻璃的品质因数，最高可达32600GHz。此外，本发明能有效控制尖晶石相、镁铝钛酸盐相和金红石相的析出，获得介电常数在8.6～10的系列微晶玻璃材料，同时还能保持微晶玻璃材料的优异性能。

附图说明

图1为实施例5中微晶玻璃的XRD图谱；

图2为实施例5中微晶玻璃的表面背散射电子照片。

具体实施方式

实施例1

原料 MgO Al₂O₃ SiO₂ TiO₂ La₂O₃

含量(wt%) 12.67 21.36 29.38 19.52 17.07

按照上述组分比例称取原料，混合均匀；然后放入坩埚内，在1530℃熔融保温3h，倒入铸铁模具中浇铸成型，再置于退火炉中640℃保温4h后随炉冷却至室温，得到透明的原始玻璃；最后将原始玻璃从室温以5℃/min的速度升温至1225℃保温2h，随炉冷却至室温，即得高品质因数的微晶玻璃。介电常数为8.95，介电损耗为3.9×10^-4，品质因数为29600GHz，温度系数为-90ppm/℃，如表1所示。

实施例2

原料 MgO Al₂O₃ SiO₂ TiO₂ La₂O₃

含量(wt%) 15.77 19.94 27.42 15.62 21.24

按照上述组分比例称取原料，混合均匀；然后放入坩埚内，在1530℃熔融保温3h，倒入铸铁模具中浇铸成型，置于退火炉中640℃保温4h后随炉冷却至室温，得到透明的原始玻璃；最后从室温以5℃/min的速度升温至1175℃，保温2h，随炉冷却至室温，即得高品质因数微晶玻璃。介电常数为9.65，介电损耗为3.84×10-⁴，品质因数为28900GHz，温度系数为-94ppm/℃，如表1所示。

实施例3

原料 MgO Al₂O₃ SiO₂ TiO₂ La₂O₃

含量(wt%) 11.09 21.05 28.94 16.49 22.42

按照上述组分比例称取原料，混合均匀；然后放入坩埚内，在1530℃熔融保温3h，倒入铸铁模具中浇铸成型，置于退火炉中640℃保温4h后随炉冷却至室温，得到透明的原始玻璃；最后从室温以5℃/min的速度升温至780℃，经2h保温处理，再升温至1200℃保温4h，随炉冷却至室温，即得高品质因数的微晶玻璃。介电常数为9，介电损耗为3.98×10^-4，品质因数为28900GHz，温度系数为-95ppm/℃，如表1所示。

实施例4

原料 MgO Al₂O₃ SiO₂ TiO₂ La₂O₃

含量(wt%) 13.03 21.98 30.22 17.21 17.56

按照上述组分比例称取原料，混合均匀；然后放入坩埚内，在1530℃熔融保温3h，倒入铸铁模具中浇铸成型，置于退火炉中640℃保温4h后随炉冷却至室温，得到透明的原始玻璃；最后从室温以5℃/min的速度升温至780℃，经2h保温处理，再升温至1200℃保温8h，随炉冷却至室温，即得高品质因数的微晶玻璃。介电常数为8.6，介电损耗为3.6×10^-4，品质因数为32600GHz，温度系数为-92.5ppm/℃，如表1所示。

实施例5

原料 MgO Al₂O₃ SiO₂ TiO₂ La₂O₃

含量(wt%) 14.65 20.21 27.79 15.83 21.53

按照上述组分比例称取原料，混合均匀；然后放入坩埚内，在1530℃熔融保温3h，倒入铸铁模具中浇铸成型，置于退火炉中640℃保温4h后随炉冷却至室温，得到透明的原始玻璃；最后从室温以5℃/min的速度升温至1200℃保温2h，随炉冷却至室温，即得高品质因数微晶玻璃。介电常数为9.7，介电损耗为3.9×10^-4，品质因数为28400GHz，温度系数为-92ppm/℃。

由图1可知，该微晶玻璃包括堇青石相、硅钛铈矿相、镁铝钛酸盐相和尖晶石相。由图2可知，此微晶玻璃中主要含有四种不同的物相，且晶粒尺寸在微米级。其中白色棒状相为硅钛铈矿相，板状黑色相为堇青石相，灰色不规则相为镁铝钛酸盐相，六边形灰色相为尖晶石相。

产业应用性：本发明的高品质因数微晶玻璃在10GHz左右的频率下，介电常数ε介于8.6～10，品质因数Q×f最高可达32600GHz(Qf=f/tgδ)，而且原始玻璃透明性好，有利于生产过程中的质量控制，是一类实用的微波介质材料，可应用于微晶玻璃的制造领域。

Claims

1.一种微晶玻璃，其特征在于其由下列组分组成：

2.根据权利要求1所述的微晶玻璃，其特征在于，所述微晶玻璃的晶相主要包括堇青石相、硅钛铈矿相、尖晶石相和镁铝钛酸盐。

3.根据权利要求2所述的微晶玻璃，其特征在于，所述微晶玻璃的晶相还包括金红石相。

4.根据权利要求1所述的微晶玻璃，其特征在于，所述微晶玻璃的形状为棒状、板状或片状。

5.一种制备权利要求1所述的微晶玻璃的方法，其特征在于该方法依次包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一步晶化法是指以1～10℃/min的速度升温至1150～1250℃，然后保温2～10小时进行热处理。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述两步晶化法是指先以1～10℃/min的速度升温至750～790℃，保温2～4小时，然后继续以1～10℃/min的速度升温至1150～1250℃，保温2～8小时进行热处理。