CN104973857A - 一种低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)以Li₂CO₃、聚磷酸铵、MgO、SiO₂为原料，按Mg₂SiO₄-LiMgPO₄分子式配料混合，球磨并烘干后，预烧制得Mg₂SiO₄-LiMgPO₄陶瓷粉末；(2)将Mg₂SiO₄-LiMgPO₄、TiO₂粉体按分子式mMg₂SiO₄-nLiMgPO₄-pTiO₂配料混合，球磨并烘干后，添加粘结剂造粒后，模压成型，烧结得致密介质陶瓷。本发明的聚阴离子型微波介质陶瓷的介电常数为6～11，品质因数Qf＞18,000GHz，谐振频率温度系数较小。本发明的微波介质陶瓷在与微波通讯领域相关的工业生产活动中具有巨大应用价值。

Description

一种低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷及制备方法

技术领域

本发明涉及微波介电陶瓷材料，特别涉及一种低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷及制备方法。

背景技术

近年来，微波通讯技术得到了迅速的发展，频率高端化、小型化、集成化、高品质化和低成本化已经成为了微波器件发展的必然趋势。其中，介电隔离、远距离电磁波传输和毫米波、亚毫米波回路集成化的介质波导线路则对介电陶瓷提出了介电常数较低且可系列化、品质因数高以获得优良的选频特性、谐振频率温度系数低等要求。

同时为了进一步满足微波通讯系统对器件提出的小型化、模块低成本化、高集成度、高可靠性和高性能的需求，可使用一种基于低温共烧陶瓷技术的片式多层微波器件来有效地减小微波元器件的体积。然而，要实现微波器件的低温共烧应用和片式化，就需要微波介质材料能与高电导率的电极Pt、Pd、Au、Ag、Cu等共烧且烧结收缩互相匹配。从经济低成本的角度考虑，熔点较低并且具备高热传导系数，低热膨胀系数的Ag、Cu等作为电极材料最为理想。因此一般要求微波介质陶瓷的烧结温度较低，而且不能和电极材料发生反应。然而目前使用的低介电常数微波介质陶瓷材料的烧结温度普遍偏高，不能满足要求。因此，能够低温烧结且与电极材料化学兼容性好的微波介质陶瓷将是今后发展的重要方向。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷的制备方法，制备工艺简单。

本发明的另一目的在于提供一种介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷，具有低介电常数，高品质因数，谐振频率温度系数较小，且烧结温度较低。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)以Li₂CO₃、聚磷酸铵、MgO、SiO₂为原料，按Mg₂SiO₄-LiMgPO₄分子式配料混合，球磨并烘干后，分别在800℃～1000℃空气中预烧3～4小时制得Mg₂SiO₄-LiMgPO₄陶瓷粉末；

(2)将Mg₂SiO₄-LiMgPO₄、TiO₂粉体按分子式mMg₂SiO₄-nLiMgPO₄-pTiO₂配料混合，球磨并烘干后，添加粘结剂造粒后，模压成型，在1050～1125℃，大气气氛下烧结2～3小时制备出致密介质陶瓷；

其中，35％摩尔≤m≤50％摩尔，35％摩尔≤n≤50摩尔，0％摩尔≤p≤30％摩尔。

步骤(1)所述的原料为纯度为99％以上的原料。

步骤(1)所述球磨，具体为：

采用行星球磨仪进行湿式球磨，球磨时间为30～120分钟。

步骤(2)所述球磨，具体为：

采用行星球磨仪进行湿式球磨，球磨时间为30～120分钟。

步骤(2)所述添加粘结剂，具体为：

添加质量为预烧后的粉料5～10％的粘结剂；所述粘结剂为质量浓度5％的聚乙烯醇溶液。

低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷，分子式为mMg₂SiO₄-nLiMgPO₄-pTiO₂；其中，35％摩尔≤m≤50％摩尔，35％摩尔≤n≤50摩尔，0％摩尔≤p≤30％摩尔。

当p＝0％摩尔，所述低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷为正交镁橄榄石相；当0％摩尔<p≤30％摩尔，所述低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷为金红石相和正交镁橄榄石相的混合相。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷，具有低介电常数(6～11)，高品质因数(>18,000GHz)，较小谐振频率温度系数。

(2)本发明的介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷，可在1050～1125℃烧结，具有较低的烧结温度。

(3)本发明制备的低介电常数微波介电陶瓷与银电极材料的化学兼容性好，使用清洁无污染的常见元素，不含昂贵的稀土元素，原材料价格低廉。

(4)本发明使用聚磷酸铵替代常用磷源的(NH₄)₂HPO₄材料进行合成，可避免因使用(NH₄)₂HPO₄造成预烧过程中的结块现象，从而免除了繁琐的磨碎过程和二次预烧过程，经济节能环保。

附图说明

图1为本发明的实施例的制备的50Mg₂SiO₄-50LiMgPO₄的XRD图。

图2为本发明的实施例的制备的35Mg₂SiO₄-35LiMgPO₄-30TiO₂的XRD图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

将分析纯的Li₂CO₃、聚磷酸铵、MgO、SiO₂按Mg₂SiO₄-LiMgPO₄分子式配料混合，行星球磨30～120分钟(溶剂为酒精，转速为300转/分钟)，烘干后分别在800～1000℃的空气气氛中预烧3～4小时。预烧后的粉末为正交镁橄榄石相，空间群为Pmnb，如图1所示(以样品1为例)。其中，行星球磨是在球磨罐中球磨，其中球磨罐材质为聚四氟乙烯，球磨介质为1mm二氧化锆小球，溶剂为酒精，其中球∶粉∶酒精＝1:1:1.1。

按表1所列摩尔分数之比，制备成份为mMg₂SiO₄-nLiMgPO₄-pTiO₂的介质陶瓷，式中m、n、p分别表示Mg₂SiO₄、LiMgPO₄、TiO₂在介质陶瓷中的摩尔百分比，各实施例中的m、n、p取值见表1。按表1所列比例将预烧后的Mg₂SiO₄-LiMgPO₄粉料和纯度99％以上金红石型TiO₂粉料，进行30～120分钟的行星球磨(溶剂为酒精，其中球∶粉∶酒精＝1:1:1.1，转速为300转/分钟)。将烘干过筛后的粉料，添加粘结剂并造粒后。通过单轴加压制成直径约10mm，厚度约5mm的圆柱状生坯，最后在1050～1125℃的空气气氛中烧结2～3小时以制得所需的低介电常数微波介电陶瓷，上述的粘结剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液，使用剂量占粉末总质量的10％。烧结后的陶瓷为金红石相和正交镁橄榄石的混合相，如图2所示(以样品7为例)。

所获得的微波电介质陶瓷，用网络分析仪E8363B进行性能测试，方法为圆柱介质谐振腔法，获得的介电性能如表2。从表2可知，本发明的微波介质陶瓷体系在m＝35，n＝35，p＝30，1050℃的烧结温度下可取得较优异的性能，其介电常数＝11.4，品质因数＝31,773GHz，谐振频率温度系数＝-3.9ppm/℃。

本发明的微波介质陶瓷体系介电常数较低且可系列化、品质因数高、谐振频率温度系数可调到近零。本发明所用原料清洁绿色、不含稀土元素，价格低廉环境友好。所获微波介质陶瓷，可应用于毫米波通讯系统中的介质谐振器、滤波器、震荡器、介质波导、微波陶瓷基板等微波元器件中。

表1

表2

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以Li₂CO₃、聚磷酸铵、MgO、SiO₂为原料，按Mg₂SiO₄-LiMgPO₄分子式配料混合，球磨并烘干后，分别在800℃～1000℃空气中预烧3～4小时制得Mg₂SiO₄-LiMgPO₄陶瓷粉末；

(2)将Mg₂SiO₄-LiMgPO₄、TiO₂粉体按分子式mMg₂SiO₄-nLiMgPO₄-pTiO₂配料混合，球磨并烘干后，添加粘结剂造粒后，模压成型，在1050～1125℃，大气气氛下烧结2～3小时制备出致密介质陶瓷；

其中，35％摩尔≤m≤50％摩尔，35％摩尔≤n≤50摩尔，0％摩尔≤p≤30％摩尔。

2.根据权利要求1所述的低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的原料为纯度为99％以上的原料。

3.根据权利要求1所述的低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述球磨，具体为：

采用行星球磨仪进行湿式球磨，球磨时间为30～120分钟。

4.根据权利要求1所述的低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述球磨，具体为：

采用行星球磨仪进行湿式球磨，球磨时间为30～120分钟。

5.根据权利要求1所述的低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述添加粘结剂，具体为：

添加质量为预烧后的粉料5～10％的粘结剂；所述粘结剂为质量浓度5％的聚乙烯醇溶液。

6.低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷，其特征在于，分子式为mMg₂SiO₄-nLiMgPO₄-pTiO₂；其中，35％摩尔≤m≤50％摩尔，35％摩尔≤n≤50摩尔，0％摩尔≤p≤30％摩尔。

7.根据权利要求6所述的低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷，其特征在于，当p＝0％摩尔，所述低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷为正交镁橄榄石相；当0％摩尔<p≤30％摩尔，所述低介电常数聚阴离子型微波介质陶瓷为金红石相和正交镁橄榄石相的混合相。