CN103864414A

CN103864414A - 一种低介电常数的微波介质陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN103864414A
Application number: CN201410042700.7A
Authority: CN
Inventors: 杨志峰; 王士维; 王根水; 周志勇; 刘少华; 陈春华
Original assignee: JIANGSU NANCI INSULATORS CO Ltd
Current assignee: JIANGSU NANCI INSULATORS CO Ltd
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明公开了一种低介电常数的微波介质陶瓷及其制备方法，所述的低介电常数的微波介质陶瓷包括按照重量百分比具有如下化学表达式为：xMgO-yCaO-zTiO2+pZnO+mA的MgO、CaO、TiO2、烧结助剂ZnO和碱金属氧化物A，且x=30~45wt%，y=1~4wt%z=50~65wt%，p=3wt%，m=1.2wt%。本发明所述的微波介质陶瓷的介电常数为19~22，具有较高的品质因数，谐振频率温度系数小且在-4~0ppm/℃范围内连续可调，烧成温度低，为多层介质谐振器、滤波器、双工器和天线等微波和毫米波器件的设计制造提供了更多的选择可能，在工业上有着很大的应用价值。

Description

一种低介电常数的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的微波介质陶瓷及其制备方法，尤其是涉及一种向以氧化物为基础的陶瓷化合物中金属氧化物的低介电常数的微波介质陶瓷及其制备方法，属于微波介质陶瓷材料制造技术领域。

背景技术

近年来，随着移动通讯和卫星通讯技术的迅速发展，作为关键基础材料的微波介质陶瓷（MWDC）的研究工作逐渐受到人们的重视。微波介质陶瓷是指在微波频段电路中作为介质材料，完成一种或多种功能的陶瓷。微波介质陶瓷制作的元器件具有体积小、质量轻、性能稳定、价格便宜等优点。其中，MgO-CaO-TiO₂陶瓷是一种重要的微波介质材料，它不仅具有介电损耗低、频率温度系数小等特点，而且原料丰富，成本低廉。但是，此材料烧结温度高达1400℃，且烧结范围窄，因此，降低体系的烧结温度，拓宽其烧成范围是广大科学工作者普遍关注的问题。

实现低温烧结，常用的方法是加入低熔点氧化物和玻璃作为烧结助剂。如Cheng-Liang Huang等添加B₂O₃，在低温下获得了高Q值的MgTiO₃-CaTiO₃陶瓷。童建喜等在MgTiO₃-CaTiO₃陶瓷中掺杂Li₂O-B₂O₃-SiO₂玻璃，有效地降低了体系的烧结温度。孙慧萍等在CaO-B₂O₃-SiO₂系介质陶瓷中，通过添加ZnO和Na₂O，在较低温度下获得了性能良好的基板材料。王媛玉等通过调节(K_0.5Na_0.5)_1+xNbO₃无铅压电陶瓷中Na₂O、K₂O含量，解决了其烧结致密性差的问题，但复合添加Na₂O和K₂O，及改变两者的比例对MgTiO₃基陶瓷致密性和介电性能的研究还未见报道。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种烧结温度低、品质高、同时能够有效保持频率温度系数接近于0的低介电常数的微波介质陶瓷及其制备方法。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种低介电常数的微波介质陶瓷，其特征在于，所述的低介电常数的微波介质陶瓷包括MgO、CaO、TiO2、烧结助剂ZnO和碱金属氧化物A，且所述的MgO、CaO、TiO2、烧结助剂ZnO和碱金属氧化物A按照重量百分比具有如下化学表达式为：xMgO-yCaO-zTiO2+pZnO+mA，其中，x、y、z、p、m为微波介质陶瓷中各组分在微波介质陶瓷中的重量百分比，且x=30～45wt%，y=1～4wt%z=50～65wt%，p=3wt%，m=1.2wt%。

进一步，所述的碱金属氧化物A为Na₂O和K₂O的组合物，且所述的Na₂O和K₂O的质量比值在1.5～2.5。

一种低介电常数的微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）备料：以纯度99%的CaCO₃、MgCO₃、TiO₂为起始原料，然后按化学表达式xMgO-yCaO-zTiO₂的重量百分比准备起始原料，其中，所述的x=30～45wt%，y=1～4wt%z=50～65wt%；

（2）球磨：将步骤（1）所述的起始原料与蒸馏水混合后，加入球磨机中以锆球为介质进行球磨，然后经烘干制备得到混合粉料；

（3）预烧：将步骤（2）制备的混合粉料在1050～1150℃的温度条件下预烧，保温1～3h后加入烧结助剂ZnO，然后，再加入碱金属氧化物，所述的烧结助剂ZnO和碱金属氧化物的加入量满足如下化学表达式，xMgO-yCaO-zTiO2+pZnO+mA，其中，所述的p=3wt%，m=1.2wt%；

（4）二次球磨制备低介电常数的微波介质陶瓷：将步骤（3）得到的混合粉料中加入重量百分比为混合粉料5～7%的粘结剂造粒，并在80～100MPa的条件下压成Ф10～13mm的圆片，并在1280℃空气中烧结，保温1～3h后得到低介电常数的微波介质陶瓷。

本发明的有益效果是：本发明通过以CaTiO₃调整MgTiO₃材料的温度系数，并加入适量的ZnO促进烧结，同时通过调整Na₂O和K₂O的比例，使得本发明制备得到的微波介质陶瓷的介电常数为19～22，具有较高的品质因数（17500～35000GHz），谐振频率温度系数小且在-4～0ppm/℃范围内连续可调，烧成温度低，在1280℃左右所述的微波介质陶瓷即能够烧结致密。此外，本发明所述的微波介质陶为多层介质谐振器、滤波器、双工器和天线等微波和毫米波器件的设计制造提供了更多的选择可能，在工业上有着很大的应用价值。

附图说明

图1为微波介质陶瓷材料样品0～3的XRD图；

图2为微波介质陶瓷材料样品3的SEM图。

具体实施方式

以下结合具体附图和具体实施例对本发明进行具体的介绍。

低介电常数的微波介质陶瓷，包括MgO、CaO、TiO₂、烧结助剂ZnO和碱金属氧化物A，在以下实施例中，所述的碱金属氧化物A为Na₂O和K₂O的组合物，且所述的Na₂O和K₂O的质量比值在1.5～2.5，且所述的MgO、CaO、TiO2、烧结助剂ZnO和碱金属氧化物A按照重量百分比具有如下化学表达式为：xMgO-yCaO-zTiO2+pZnO+mA，其中，x、y、z、p、m为微波介质陶瓷中各组分在微波介质陶瓷中的重量百分比，且x=30～45wt%，y=1～4wt%z=50～65wt%，p=3wt%，m=1.2wt%。

实施例1-7低介电常数的微波介质陶瓷的组成与介电性能的关系如表1所示：

表1：实施例1-7低介电常数的微波介质陶瓷的组成与介电性能的关系：

此外，实施例1-7所述的低介电常数的微波介质陶瓷的通用制备方法，包括以下步骤：

而在具体实施中，步骤（4）采用的烧结温度为1280℃。

利用XRD对实施例1-7烧结后的陶瓷样品进行了物相分析，用圆柱介质谐振器法在7～8GHz进行了微波介电性能的评价。

由表1可知，当Na₂O和K₂O添加总量为1.2wt%，且Na₂O/K₂O比例为2:1时，陶瓷获得最佳介电性能：ε_r=19.71，Q×f=3.59×10⁴GHz（7.58GHz），τf=-1.40×10^-6/℃。

图1为微波介质陶瓷材料样品0～3的XRD图；微波介质陶瓷材料样品3的SEM图。

如图1和图2所示：本发明所述的低介电常数的微波介质陶瓷体系中：复合添加碱金属氧化物，低介电常数的微波介质陶瓷的主晶相为MgTiO₃和CaTiO₃，同时，可以抑制中间相MgTi₂O₅的产生，有效地降低陶瓷的烧结温度至1280℃。

本发明按照上述实施例进行了说明，应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低介电常数的微波介质陶瓷，其特征在于，所述的低介电常数的微波介质陶瓷包括MgO、CaO、TiO₂、烧结助剂ZnO和碱金属氧化物A，且所述的MgO、CaO、TiO₂、烧结助剂ZnO和碱金属氧化物A按照重量百分比具有如下化学表达式为：xMgO-yCaO-zTiO₂+pZnO+mA，其中，x、y、z、p、m为微波介质陶瓷中各组分在微波介质陶瓷中的重量百分比，且x=30~45wt%，y=1~4wt% z=50~65wt%，p=3wt%，m=1.2wt%。

2.根据权利要求1所述的一种低介电常数的微波介质陶瓷，其特征在于，所述的碱金属氧化物A为Na₂O和K₂O的组合物，且所述的Na₂O和K₂O的质量比值在1.5~2.5:1。

3.一种低介电常数的微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）备料：以纯度99 %的CaCO₃、MgCO₃、TiO₂为起始原料，然后按化学表达式xMgO-yCaO-zTiO₂的重量百分比准备起始原料，其中，所述的x=30~45wt%，y=1~4wt% z=50~65wt%；

（3）预烧：将步骤（2）制备的混合粉料在1050~1150℃的温度条件下预烧，保温1~3h后加入烧结助剂ZnO，然后，再加入碱金属氧化物，所述的烧结助剂ZnO和碱金属氧化物的加入量满足如下化学表达式，xMgO-yCaO-zTiO2+pZnO+mA，其中，所述的p=3wt%，m=1.2wt%；

（4）二次球磨制备低介电常数的微波介质陶瓷：将步骤（3）得到的混合粉料中加入重量百分比为混合粉料5~7%的粘结剂造粒，并在80~100 MPa的条件下压成Ф10~13 mm的圆片，并在1280℃空气中烧结，保温1~3h后得到低介电常数的微波介质陶瓷。