CN105314978A - 一种锂基高性能微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂基高性能微波介质陶瓷材料及其制备方法。该锂基高性能微波介质陶瓷材料的化学组成式为：Li₄Ti₅O₁₂。以纯度≥99%的Li₂O和TiO₂为原始粉末，按上述组成称量配料，然后湿式球磨混合4h，以乙醇为球磨介质，干燥后在850℃空气气氛下预烧4h，制得预烧粉体；再向预烧粉体中添加粘结剂并造粒，压制成型，最后将瓷料在875~1050℃下烧结4小时，即制得锂基高性能微波介质陶瓷材料。本发明制备方法简单，所制得的锂基高性能微波介质陶瓷材料，其烧结温度低，微波性能优异，能用于LTCC谐振器、天线、滤波器等微波器件的制造。

Description

一种锂基高性能微波介质陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子陶瓷及其制造领域，特别涉及一种在微波频率使用的介质基板、天线和谐振器等微波元器件的锂基高性能微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

微波介质陶瓷是指应用于微波频段(300MHz~300GHz)电路中作为完成一种或多种功能的电介质材料，其具有合适的介电常数、高品质因素及谐振频率温度系数小等特点。

微波介质陶瓷按照介电常数的大小，可以分为：(1)低介电常数体系，主要指介电常数在10~30之间品质因数（Q×f）大于50000GHz,谐振频率温度系数为-5ppm/℃~+5ppm/℃，如Al₂O₃、MgTiO₃等，主要用于微波电路中的绝缘基板、高端微波元器件。（2）中介电常数体系，主要指介电常数在30到60之间，品质因数大于20000GHz，谐振频率温度系数为-10ppm/°C~10ppm/°C，主要包括以BaTi₄O₉,Ba₂Ti₉O₂₀和(Zr,Sn)TiO₄等为基的MWDC材料。主要被应用于军用雷达、卫星通讯以及移动通讯基站。（3）高介电常数体系，主要指介电常数大于60。包括TiO₂、CaTiO₃、钨青铜BaO-Ln₂O₃-TiO₂系列、复合钙钛矿CaO-Li₂O-Ln₂O₃-TiO₂系列、铅基钙钛矿系列等。主要被用作通信设备中的微波介质谐振器。为满足不同的应用范围，必须探索实现介电常数的系列化，并保持优异的微波介电性能，即较高的品质因素及近零的频率温度系数。

随着微波移动通讯技术不断向高频化和数字化方向发展，元器件模块化应用正成为大势所趋。低温共烧陶瓷技术（LTCC，LowTemperatureCo-firedCeramics）是电子器件模块化的主要技术之一。LTCC的关键技术要求微波介质材料必须性能优异、具有低的烧结温度（≤950℃）且能与Ag电极共烧兼容。目前大多数的微波介电陶瓷虽然具有优异的性能，但是其烧结温度太高（≥1300℃），如(Zr,Sn)TiO₄、Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃、Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃等，故无法应用于LTCC器件上。

通常有三种方式获得可低温烧结的微波介质陶瓷：（1）在材料体系中添加一定量的低熔点氧化物如BCB、B₂O₃、V₂O₅等，或是加入低熔点玻璃相，以形成陶瓷和低熔点烧结助剂的复合体系，但是加入大量的低熔点烧结助剂可能会明显恶化微波介电性能；（2）采用化学合成法如水热法、共沉淀法、熔盐法等先进的制粉方法制备出烧结活性较高的超细材料或纳米粉体，此法可有效降低烧结温度，但是降低烧结温度能力有限以下，而且制备工艺复杂、粉体易出现团聚现象等；（3）探索新的固有烧结温度低的微波介质材料体系，尤其是烧结温度低于内电极熔点的材料体系。综上所述，第三种途径在有效降低烧结温度的同时保持优异微波介电性能，且无太多的负面影响。因此越来越多的研究放在了探索烧结温度低、性能优异且能与Ag电极实现共烧兼容的材料体系上。

前期实验表明，Li₄Ti₅O₁₂尖晶石体系化合物不仅可作为优良的负极材料，而且也具备优异的微波介电性能，其较低的烧结温度、高品质因素和高的温度稳定性，使其可广泛应用于LTCC微波基板、滤波器以及谐振器的制备，也能满足低温共烧陶瓷多层陶瓷器件的技术需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种热稳定性可调的可低温烧结锂基高性能微波介质陶瓷材料及其制备方法。

本发明的锂基高性能微波介质陶瓷材料的化学组成式为：Li₄Ti₅O₁₂。

制备上述锂基高性能微波介质陶瓷材料的步骤为：

(1)以纯度≥99%的Li₂O和TiO₂为原始粉末，按Li₄Ti₅O₁₂的组成称量配料。

(2)将步骤(1)称取的原始粉末湿式球磨混合4h，以乙醇为球磨介质，干燥后在850℃空气气氛下预烧4h，制得预烧粉体。

(3)在步骤(2)制得的预烧粉体中添加粘结剂并造粒后，压制成型，最后将瓷料在875~1050℃下烧结4小时，即制得锂基高性能微波介质陶瓷材料。

所述粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液，剂量占预烧粉体总量的7%。

本发明制备方法简单，所制得的锂基高性能微波介质陶瓷材料，其烧结温度低（≤1050℃），微波性能优异：介电常数（ε _r ）为27~32，Q×f值高达29530GHz以及τ _f 可调（-16.7~+5.9ppm/℃），可用于LTCC谐振器、天线、滤波器等微波器件的制造。

具体实施方式

实施例1：

(1)以纯度为99.9%的Li₂O和TiO₂为原始粉末，按Li₄Ti₅O₁₂的组成称量配料。

(2)将步骤(1)称取的原始粉末湿式球磨混合4h，以乙醇为球磨介质，干燥后在850℃空气气氛下预烧4h，制得预烧粉体。

(3)在步骤(2)制得的预烧粉体中添加粘结剂并造粒后，压制成型，最后将瓷料在875℃下烧结4小时，即制得锂基高性能微波介质陶瓷材料。

所述粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液，剂量占预烧粉体总量的7%。

实施例2：

将步骤(3)中瓷料的烧结温度改为900℃，其他与实施例1保持一致。

实施例3：

将步骤(3)中瓷料的烧结温度改为925℃，其他与实施例1保持一致。

实施例4：

将步骤(3)中瓷料的烧结温度改为950℃，其他与实施例1保持一致。

实施例5：

将步骤(3)中瓷料的烧结温度改为975℃，其他与实施例1保持一致。

实施例6：

将步骤(3)中瓷料的烧结温度改为1000℃，其他与实施例1保持一致。

实施例7：

将步骤(3)中瓷料的烧结温度改为1025℃，其他与实施例1保持一致。

实施例8：

将步骤(3)中瓷料的烧结温度改为1050℃，其他与实施例1保持一致。

表1示出了实施例1~8在不同烧结温度下制得的锂基高性能微波介质陶瓷材料的微波介电性能。用圆柱介质谐振器法进行微波介电性能的评价。

上述实施例制得的锂基高性能微波介质陶瓷材料能够潜在用于LTCC介质基板、谐振器和滤波器等微波器件的制造，在移动通信和卫星通信等系统的应用方面也有广阔的前景。

表1：

Claims (1)

1.一种锂基高性能微波介质陶瓷材料，其特征在于该锂基高性能微波介质陶瓷材料的化学组成式为：Li₄Ti₅O₁₂；

所述锂基高性能微波介质陶瓷材料的制备步骤为：

(1)以纯度≥99%的Li₂O和TiO₂为原始粉末，按Li₄Ti₅O₁₂的组成称量配料；

(2)将步骤(1)称取的原始粉末湿式球磨混合4h，以乙醇为球磨介质，干燥后在850℃空气气氛下预烧4h，制得预烧粉体；

(3)在步骤(2)制得的预烧粉体中添加粘结剂并造粒后，压制成型，最后将瓷料在875~1050℃下烧结4小时，即制得锂基高性能微波介质陶瓷材料；

所述粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液，剂量占预烧粉体总量的7%。