CN107573056A

CN107573056A - 谐振频率温度系数近零的微波介质材料及其制备方法

Info

Publication number: CN107573056A
Application number: CN201710871181.9A
Authority: CN
Inventors: 李玲霞; 乔坚栗; 于仕辉; 孙正; 杜明昆
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-09-24
Filing date: 2017-09-24
Publication date: 2018-01-12

Abstract

本发明公开了一种谐振频率温度系数近零的微波介质材料，先将TiO₂、ZnO、Nb₂O₅、SnO₂按化学计量式xZnNb₂O₆‑yTiO₂‑(1‑x‑y)SnO₂，其中x＝0.25～0.3，y＝0.5～0.7进行配料，经球磨、烘干、过筛后于950℃～1000℃预烧，再将预烧后的粉料二次球磨，再进行造粒，压制成型为生坯，生坯于1060℃～1140℃烧结，再于950℃退火10小时，制成谐振频率温度系数近零的微波介质材料。本发明的介电常数为40～44，具有品质因数较高(Q×f＝26000‑41000GHz)、谐振频率温度系数近零和烧结温度较低(1080℃～1120℃)的特点，为介质谐振器、滤波器等微波器件的设计制造提供了更多的选择可能，在实际工程应用中具有很大价值。

Description

谐振频率温度系数近零的微波介质材料及其制备方法

技术领域

本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种中温烧结、具有较高介电常数、谐振频率温度系数近零的xZnNb₂O₆-yTiO₂-(1-x-y)SnO₂系微波介质陶瓷及其制备方法。

背景技术

微波技术是近代科学发展的重大成果之一。由于微波具有波长短、频率高等优点，因而具有良好的选频特性，被广泛应用于移动通讯、卫星通信、军用雷达、全球卫星定位系统(GPS)、蓝牙技术、无线局域网等领域。微波通信技术的发展对微波器件的性能(灵敏度、信噪比、覆盖范围、通信容量等)和尺寸提出了新的要求。在这一技术背景的推动下，人们迫切需要具有高介电常数，低介电损耗，近零谐振频率温度系数的微波介质陶瓷材料。

ZnO-Nb₂O₅-TiO₂-SnO₂系微波介质陶瓷为锰钽矿-金红石两相复合结构，通过调节两相含量可以使材料的谐振频率温度系数近零。同时，该体系具有较高的介电常数(40～53)和较低的烧结温度(1100℃)，通过添加助烧剂可以应用于LTCC领域。但是，其较低的Q×f值(<20000GHz)限制了该体系的进一步发展。

发明内容

本发明的目的，是为克服ZnO-Nb₂O₅-TiO₂-SnO₂系微波介质陶瓷Q×f值偏低的缺点，通过调节元素比，在烧结后进行退火的手段获得一系列谐振频率温度系数近零、具有高品质因数的微波介质陶瓷，同时提供xZnNb₂O₆-yTiO₂-(1-x-y)SnO₂微波介质陶瓷的组成配方和制备该介质陶瓷的方法。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种谐振频率温度系数近零的微波介质材料，以TiO₂、ZnO、Nb₂O₅、SnO₂为原料，目标合成物表达式为xZnNb₂O₆-yTiO₂-(1-x-y)SnO₂，其中x＝0.25～0.3，y＝0.5～0.7。

上述谐振频率温度系数近零的微波介质材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将TiO₂、ZnO、Nb₂O₅、SnO₂分别按化学计量式xZnNb₂O₆-yTiO₂-(1-x-y)SnO₂，其中x＝0.25～0.3，y＝0.5～0.7进行配料，将粉料放入聚酯罐中，加入去离子水和锆球后，球磨4～8小时；

(2)将步骤(1)球磨后的原料放入干燥箱中分别于80～120℃烘干，然后过40目筛；

(3)将步骤(2)烘干、过筛后的粉料放入中温炉中，于950℃～1000℃预烧，保温2～8小时，然后过40目筛；

(4)在步骤(3)预烧后的粉料放入球磨罐中，加入氧化锆球和去离子水，球磨9～12小时；

(5)将步骤(4)球磨后的原料放入干燥箱烘干后外加5％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂进行造粒，过80目筛，再用粉末压片机压制成生坯；

(6)将步骤(5)的生坯于1060℃～1140℃烧结，保温6～10小时；

(7)将步骤(6)烧结后的陶瓷材料在950℃退火10小时，制成谐振频率温度系数近零的微波介质材料。

所述步骤(1)采用行星式球磨机进行球磨，球磨机转速为400转/分。

所述步骤(5)的生坯直径为10mm，厚度为5mm。

所述步骤(5)的粉末压片机的压力为4～8MPa。

所述步骤(6)的烧结温度为1120℃，保温6小时。

本发明有益效果如下：

本发明的微波介质陶瓷，其介电常数为(40～44)，同时具有较高品质因数Q×f＝26000-41000GHz、谐振频率温度系数近零和烧结温度较低(1080℃～1120℃)的特点。本发明的微波介质陶瓷为介质谐振器、滤波器等微波器件的设计制造提供了更多的选择可能，在实际工程应用中具有很大价值。

具体实施方式

本发明以纯度大于99％的TiO₂(分析纯)、ZnO(分析纯)、Nb₂O₅(分析纯)、SnO2(分析纯)为初始原料，通过固相法制备微波介质材料。

下面通过具体实施例对本发明进一步描述。

实施例1

(1)将TiO₂、ZnO、Nb₂O₅、SnO₂按化学计量式0.3ZnNb₂O₆-0.56TiO₂-0.14SnO₂进行配料，粉料配比为：3.6634gZnO、11.9614gNb₂O₅、6.7087gTiO₂、3.1649gSnO₂。将约25g粉料放入聚酯罐中，加入200ml去离子水和150g锆球后，球磨6小时，转速为400转/分；

(2)将步骤(1)球磨后的原料放入干燥箱中于100℃烘干，然后过40目筛；

(3)将步骤(2)烘干、过筛后的粉料放入中温炉中，于950℃预烧，保温4小时，然后过40目筛；

(4)在步骤(3)预烧后的粉料放入球磨罐中，加入200ml去离子水和150g氧化锆球，球磨12小时，转速为400转/分；

(5)将步骤(4)球磨后的原料放入干燥箱烘干后外加5％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂进行造粒，过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压制成生坯；

(6)将步骤(5)的生坯于1120℃烧结，保温6小时；

(8)通过网络分析仪测试所得样品的微波介电性能：

ε_r＝40.84，Q×f＝40880GHz，τ_f＝+0.4ppm℃^-1。

实施实2

本发明以纯度大于99％的TiO₂(分析纯)、ZnO(分析纯)、Nb₂O₅(分析纯)、SnO₂(分析纯)为初始原料，通过固相法制备微波介质材料。具体实施方案如下：

(1)将TiO₂、ZnO、Nb₂O₅、SnO₂按化学计量式0.3ZnNb₂O₆-0.595TiO₂-0.105SnO₂进行配料，粉料配比为：3.6634gZnO、11.9614gNb₂O₅、7.1280gTiO₂、2.3737gSnO₂。将约25g粉料放入聚酯罐中，加入200ml去离子水和150g锆球后，球磨6小时，转速为400转/分；

(6)将步骤(5)的生坯于1080℃烧结，保温6小时；

(8)通过网络分析仪测试所得样品的微波介电性能：

ε_r＝43.96，Q×f＝30813GHz，τ_f＝+2.1ppm℃^-1。

实施例3

(1)将TiO₂、ZnO、Nb₂O₅、SnO₂按化学计量式0.25ZnNb₂O₆-0.5625TiO₂-0.1875SnO₂进行配料，粉料配比为：3.0528gZnO、9.9679gNb₂O₅、6.7387gTiO₂、4.2387gSnO₂。将约25g粉料放入聚酯罐中，加入200ml去离子水和150g锆球后，球磨6小时，转速为400转/分；

(6)将步骤(5)的生坯于1100℃烧结，保温6小时；

(8)通过网络分析仪测试所得样品的微波介电性能：

ε_r＝44.67，Q×f＝26415GHz，τ_f＝+6.3ppm℃^-1。

实施例4～13

实施例4～13除x、y值和预烧温度、烧结温度与上述实施例有所区别之外，其余工艺步骤完全相同。本发明具体实施例的主要工艺参数及其微波介电性能详见表1。

表1

Claims

1.一种谐振频率温度系数近零的微波介质材料，以TiO₂、ZnO、Nb₂O₅、SnO₂为原料，目标合成物表达式为xZnNb₂O₆-yTiO₂-(1-x-y)SnO₂，其中x＝0.25～0.3，y＝0.5～0.7。

2.权利要求1的谐振频率温度系数近零的微波介质材料的制备方法，具体步骤如下：

(6)将步骤(5)的生坯于1060℃～1140℃烧结，保温6～10小时；

3.根据权利要求2所述的谐振频率温度系数近零的微波介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)采用行星式球磨机进行球磨，球磨机转速为400转/分。

4.根据权利要求2所述的谐振频率温度系数近零的微波介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)的生坯直径为10mm，厚度为5mm。

5.根据权利要求2所述的谐振频率温度系数近零的微波介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)的粉末压片机的压力为4～8MPa。

6.根据权利要求2所述的谐振频率温度系数近零的微波介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)的烧结温度为1120℃，保温6小时。