CN107935588A - 微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料 - Google Patents

微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，所述钛酸锶钡介质材料的化学通式为(BaxSr1‑x)1+δTiO3，其中x＝0.2～0.4，δ＝‑0.02～0.02。区别于传统的介电常数高而品质因素一般较低的BST材料体系，本发明的BST材料在保持高介电可调性的同时，具有高的介电常数和高的品质因素，可大幅提升BST材料在微波调谐器件上的介电性能，本发明的BST材料无需掺杂或添加其他元素或物相即可实现较优的材料性能，其成本可控，易于制得。

Description

微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料
技术领域
本发明涉及微波调谐器技术领域，尤其涉及一种微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料。
背景技术
自20世纪90年代中期起，微波调谐器件，尤其是微波移相器及其材料的研究日益受到美日等发达国家的重视。(Ba,Sr)TiO3(简称BST)材料因其较高的介电可调性、低的介电损耗和适中的介电常数，在军用和民用微波调谐器件领域，尤其是微波移相器方面的应用，成为了最受关注的材料体系。美国国家军事研究实验室的L.C.Sengupta等人在向政府部门提交的调查报告中明确指出，如果BST材料能够取代铁氧体应用在移相器中，相控阵雷达将迎来一场彻底的革命。作为BaTiO3与SrTiO3的无限固溶体，BST材料的性能会随着Ba/Sr比的变化连续可调，Sharma P.K.等人对不同组分的(Ba1-xSrx)TiO3开展了一系列的研究，发现低Ba含量的BST材料因其更低的介电损耗而更适用于微波调谐器件。目前，针对于微波调谐器件领域而研发的BST材料一般是(Ba0.6Sr0.4)TiO3和(Ba0.5Sr0.5)TiO3，而在更高的微波频率，如毫米波频段下，(Ba0.4Sr0.6)TiO3较之其他的BST材料体系更具应用前景。
然而BST材料在微波频率下介电损耗较高，其高的介电常数和高可调性与品质因数(即介电损耗的倒数)之间存在非常明显的相互制约关系，这大大限制了BST材料在微波调谐领域的应用。
为改善BST材料的介电性能，一般多采用元素掺杂或添加氧化物复合的方式进行改性，尽管这种方式可以有效地降低材料的介电损耗，但也会不可避免地导致介电可调性以及其他电性能的下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有高介电常数、高品质因素和高介电可调性的微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，所述钛酸锶钡介质材料的化学通式为(BaxSr1-x)1+δTiO3，其中x＝0.2～0.4，δ＝-0.02～0.02。
本发明的有益效果在于：区别于传统的介电常数高而品质因素一般较低的BST材料体系，本发明的BST材料在保持高介电可调性的同时，具有高的介电常数和高的品质因素，可大幅提升BST材料在微波调谐器件上的介电性能，本发明的BST材料无需掺杂或添加其他元素或物相即可实现较优的材料性能，其成本可控，易于制得。
附图说明
图1为本发明的钛酸锶钡介质材料的XRD图谱；
图2为本发明的钛酸锶钡介质材料的SEM图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：钛酸锶钡介质材料为(BaxSr1-x)1+δTiO3，其中x＝0.2～0.4，δ＝-0.02～0.02。
一种微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，所述钛酸锶钡介质材料的化学通式为(BaxSr1-x)1+δTiO3，其中x＝0.2～0.4，δ＝-0.02～0.02。
原理：在不明显改变材料晶体结构的情况下，通过调控元素的含量以诱导材料内部化学缺陷(如空位和间隙离子等)的产生，从而导致材料的性能发生显著优化。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：区别于传统的介电常数高而品质因素一般较低的BST材料体系，本发明的BST材料在保持高介电可调性的同时，具有高的介电常数和高的品质因素，可大幅提升BST材料在微波调谐器件上的介电性能，本发明的BST材料无需掺杂或添加其他元素或物相即可实现较优的材料性能，其成本可控，易于制得。
进一步的，所述钛酸锶钡介质材料的化学通式为(Ba0.4Sr0.6)1+δTiO3，其中δ＝-0.02～-0.002。
由上述描述可知，当x＝0.4，δ＝-0.02～-0.002时，BST材料的介电常数大于1000(1.4GHz)，介电可调性大于20％，品质因素大于1000GHz，可大幅提升BST材料在微波调谐器领域的介电性能，在同类材料中具有显著的性能优势。
进一步的，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.98TiO3。
进一步的，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.99TiO3。
进一步的，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.992TiO3。
进一步的，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.995TiO3。
进一步的，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.998TiO3。
实施例一
本发明的实施例一为：
一种微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，所述钛酸锶钡介质材料的化学通式为(BaxSr1-x)1+δTiO3，其中x＝0.2～0.4，δ＝-0.02～0.02。优选的，x＝0.4，δ＝-0.02～-0.002。图1为本实施例的BST材料的XRD图谱，从图1可知，在45°附近的衍射峰为单一峰形，未出现分峰的现象，表明BST材料为单一的立方钙钛矿结构。图2为本实施例的BST材料的SEM图，由图2可知，BST材料为单一的晶粒形态，晶粒生长完好，晶粒内部和晶界处没有观测到明显的杂相存在。
实施例二
本发明的实施例二为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.4Sr0.6)0.98TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1400℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品1。
实施例三
本发明的实施例三为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.4Sr0.6)0.99TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1400℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品2。
实施例四
本发明的实施例四为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.4Sr0.6)0.992TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1400℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品3。
实施例五
本发明的实施例五为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.4Sr0.6)0.995TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品4。
实施例六
本发明的实施例六为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.4Sr0.6)0.998TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品5。
实施例七
本发明的实施例七为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.4Sr0.6)TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品6。
实施例八
本发明的实施例八为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.4Sr0.6)1.005TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品7。
实施例九
本发明的实施例九为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.4Sr0.6)1.01TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品8。
实施例十
本发明的实施例十为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.4Sr0.6)1.02TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品9。
实施例十一
本发明的实施例十一为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.2Sr0.8)TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品10。
实施例十二
本发明的实施例十二为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.2Sr0.8)0.98TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品11。
实施例十三
本发明的实施例十三为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.3Sr0.7)TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品12。
实施例十四
本发明的实施例十四为BST材料的制备方法，包括：
(1)以(Ba0.3Sr0.7)0.98TiO3的化学式组成分别称取BaTiO3(纯度99.5％)和SrTiO3(纯度99.5％)原料。
(2)以无水乙醇为球磨介质，将称取的原料加入球磨罐中，采用卧式湿法球磨工艺混合球磨24小时。出料后在烘箱中于80℃烘干，然后在马弗炉中于1150℃预烧2小时得到BST陶瓷粉料。
(3)向步骤(2)中得到的BST陶瓷粉料中加入占粉料质量2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，过80目筛后，在175MPa的单轴压力下，制得BST陶瓷素坯。然后将陶瓷坯体于600℃下保温2小时进行排胶，之后在1350℃下烧结2小时，随炉冷却至室温，制得样品13。
对实施例二至实施例十四制备得到的样品在1.3～1.4GHz左右的微波谐振频率下进行了介电性能测试，为测试样品的微波介电性能，将烧结后陶瓷进行双面研磨抛光为直径约10mm，厚度约5mm的圆柱样品，然后进行超声清洗并烘干，采用Hakki-Coleman分离介质谐振器测试方法测试样品的微波介电性能。为测试样品的介电可调性，将烧结后的陶瓷进行双面研磨抛光为直径约10mm，厚度约2mm的圆柱样品，双面被银电极化以后，于550℃下保温15min烧银，借助带有直流偏压装置的阻抗分析仪测试样品的介电可调性。进行介电性能测试的温度条件均为室温，测试结果如表1所示：
表1样品介电性能对照表
从表1可知，当x＝0.4时，随着δ的变化，本发明的BST材料其介电可调性＞19％，介电常数＞850，品质因素Q×f＞650；尤其当δ＝-0.02～-0.002时，具有介电可调性＞25％，介电常数＞1000，品质因素Q×f＞1000的微波介电性能，在微波协调器件领域具有很好的应用价值和前景。
本发明的优点在于：
(1)本发明的BST材料为单相固溶体，无需掺杂或者添加其他的元素和物相，成本可控，易于制得，可推广至其他结构相近的材料应用中；
(2)本发明的BST材料具有高介电常数、高品质因素和高介电可调性，各方面的性能均远高于现有常规BST材料，在介电常数高于1000的材料中，具有显著的综合性能优势；
(3)可通过化学组成的调整，实现对BST材料介电性能的优化和连续调控。
综上所述，本发明提供的微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，具有高介电常数、高品质因素和高介电可调性，在介电常数高于1000的材料中，具有显著的综合性能优势，并且其成本可控，易于制得。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，其特征在于，所述钛酸锶钡介质材料的化学通式为(BaxSr1-x)1+δTiO3，其中x＝0.2～0.4，δ＝-0.02～0.02。
2.根据权利要求1所述的微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，其特征在于，所述钛酸锶钡介质材料的化学通式为(Ba0.4Sr0.6)1+δTiO3，其中δ＝-0.02～-0.002。
3.根据权利要求2所述的微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，其特征在于，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.98TiO3。
4.根据权利要求2所述的微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，其特征在于，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.99TiO3。
5.根据权利要求2所述的微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，其特征在于，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.992TiO3。
6.根据权利要求2所述的微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，其特征在于，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.995TiO3。
7.根据权利要求2所述的微波调谐器件用钛酸锶钡介质材料，其特征在于，所述钛酸锶钡介质材料的化学式为(Ba0.4Sr0.6)0.998TiO3。
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