CN108516825A - 一种低介电微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低介电微波介质材料及其制备方法，所述低介电微波介质材料由以下重量百分比的各组分制备而成：50％～70％的BaZrO3陶瓷粉和30％～50％的MSBCA玻璃粉；所述BaZrO3陶瓷粉由BaCO3和ZrO2制备而成，所述MSBCA玻璃粉由MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3制备而成。本发明制得的低介电微波介质陶瓷材料满足低介电、低损耗及低烧结温度的要求，可作为LTCC滤波器、天线等微波元器件应用，其低温共烧的特性，在工业应用上具有较大的价值。

Description

一种低介电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材料领域，尤其是涉及一种低介电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电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，在现代通讯中被广泛作为谐振器、滤波器等元器件，在军事雷达、飞机、移动通讯等方面均有应用。微波介质陶瓷需满足以下介电特性的要求：(1)不同介电常数εr(以适应不同频率及场合)；(2)低的介质损耗tanδ；(3)低的谐振频率温度系数τf(保证器件具有好的热稳定性)。根据εr的大小，微波介质陶瓷分为超低介瓷εr≤10、低介瓷10＜εr≤30、中介瓷30＜εr≤70及高介瓷εr＞70。近年来，随着LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)的发展及微波多层器件的要求，国内外对LTCC材料进行了广泛的探索和研究，目前主要有玻璃陶瓷系(微晶玻璃)、玻璃/陶瓷系、晶化陶瓷系(纯陶瓷)三大体系。
玻璃/陶瓷复合材料是将玻璃添加到陶瓷粉料中，经混合、成型、烧结得到的一种LTCC材料，该体系工艺相对简单，配方容易调节。具体根据需要，选择一定介电常数、低介电损耗、高绝缘电阻、高机械强度和良好耐热性能的陶瓷和较低的介电常数、高绝缘性的玻璃粉进行复合材料设计，是LTCC领域里研究的热点和主要方向。
发明内容
本发明提出一种低介电微波介质陶瓷材料及制备方法，满足低介电、低损耗及低烧结温度的要求。
本发明采用以下技术方案：
一种低介电微波介质材料，由以下重量百分比的各组分制备而成：50％～70％的BaZrO3陶瓷粉和30％～50％的MSBCA玻璃粉；所述BaZrO3陶瓷粉由BaCO3和ZrO2制备而成，所述MSBCA玻璃粉由MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3制备而成。
优选地，所述MSBCA玻璃粉由如下重量百分比的各组分制备而成：14.2％的MgO、43.2％的SiO2、5.1％的B2O3、20.5％的CaO、17％的Al2O3。
优选地，所述Al2O3的粒径为50～200nm。
优选地，所述BaZrO3陶瓷粉的粒径为1.0～4.0μm，且所述MSBCA玻璃粉的粒径为2.0～4.0μm。
优选地，所述BaZrO3陶瓷粉由摩尔比1:1的BaCO3和ZrO2制备而成。
优选地，所述ZrO2的粒径为50～200nm。
一种所述的低介电微波介质材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、BaZrO3陶瓷粉的制备：预定比例分别称取BaCO3和ZrO2，然后混合、烘干、预烧、研磨、烘干；
S2、MSBCA玻璃粉的制备：按预定比例分别称取MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3，然后混合、高温熔制、水淬、研磨、烘干；
S3、微波介质材料粉料的制备：按质量百分比称取50％～70％的BaZrO3陶瓷粉、30％～50％的MSBCA玻璃粉，然后混合、研磨、烘干，得到所述微波介质材料粉料；
S4、造粒：按所述微波介质材料粉料的重量计算，添加重量百分比为10％的PVA水溶液进行造粒，得到造粒粉；
S5、成型：将所述造粒粉压制成为生坯；
S6、烧结：将所述生坯在850～950℃的温度下进行烧结，得到所述低介电微波介质陶瓷材料。
优选地，所述步骤S1中混合是将BaCO3和ZrO2与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，并烘干；所述预烧的温度为1050℃，保温3h；所述研磨是将预烧后的粉体、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨，并烘干。
优选地，所述步骤S2中的混合是将MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3在V型混粉机中混合均匀；高温熔制温度为1500℃，保温2h；水淬是将高温熔融玻璃液倒入去离子水中；研磨是将水淬后的玻璃渣、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨，并烘干。
优选地，所述步骤S3是将BaZrO3陶瓷粉和MSBCA玻璃粉与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，并烘干，得到的所述微波介质材料粉料的粒径为0.5～1.5μm。
本发明的有益效果包括：本发明的低介电微波介质材料由主粉体BaZrO3陶瓷和助烧剂MgO-SiO2-B2O3-CaO-Al2O3(MSBCA)玻璃粉制备而成，最终得到的低介电微波介质陶瓷材料的介电常数在11～14之间，介电损耗为0.0008～0.0015，且具有较小的谐振频率温度系数，温度稳定性好，可作为LTCC滤波器、天线等微波元器件应用，其低温共烧的特性，在工业应用上具有较大的价值。
进一步地，通过陶瓷、玻璃两相的粒径范围和配比的相互调整匹配，并进一步结合纳米ZrO2和纳米Al2O3的使用，可实现在950℃以下烧结致密，玻璃相起助烧的同时，也不会对环境造成污染，有助于降低材料的介电常数和介电损耗。
具体实施方式
下面结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种低介电微波介质材料，其由以下重量百分比的各组分制备而成：50％～70％的BaZrO3陶瓷粉和30％～50％的MSBCA玻璃粉；其中，所述BaZrO3陶瓷粉由BaCO3和ZrO2制备而成，所述MSBCA玻璃粉由MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3制备而成。制成的MSBCA玻璃粉为无定型的非晶态，在与BaZrO3陶瓷粉复合制备低介电微波介质材料过程中，起到助烧降温的作用。
在一些实施方式中，还可以优选以下方案中的一个或在不冲突的情况下的以下方案的任意组合：
所述MSBCA玻璃粉由如下重量百分比的各组分制备而成：14.2％的MgO、43.2％的SiO2、5.1％的B2O3、20.5％的CaO、17％的Al2O3。
所述Al2O3的粒径为50～200nm。
所述BaZrO3陶瓷粉的粒径为1.0～4.0μm，且所述MSBCA玻璃粉的粒径为2.0～4.0μm。
所述BaZrO3陶瓷粉由摩尔比1:1的BaCO3和ZrO2制备而成。
所述ZrO2的粒径为50～200nm。
本发明还提供一种低介电微波介质材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、BaZrO3陶瓷粉的制备：按预定比例分别称取BaCO3和ZrO2，然后混合、烘干、预烧、研磨、烘干；
S2、MSBCA玻璃粉的制备：按预定比例分别称取MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3，然后混合、高温熔制、水淬、研磨、烘干；
S3、微波介质材料粉料的制备：按质量百分比称取50％～70％的BaZrO3陶瓷粉、30％～50％的MSBCA玻璃粉，然后混合、研磨、烘干，得到所述微波介质材料粉料；
S4、造粒：按所述微波介质材料粉料的重量计算，添加重量百分比为10％的PVA水溶液进行造粒，得到造粒粉；
S5、成型：将所述造粒粉压制成为生坯；
S6、烧结：将所述生坯在850～950℃的温度下进行烧结，得到所述低介电微波介质陶瓷材料。
在一些优选的实施方式中，还可以优选以下条件之一或在不冲突的情况下的任意组合：
所述步骤S1中混合是将BaCO3和ZrO2与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，并烘干；所述预烧的温度为1050℃，保温3h；所述研磨是将预烧后的粉体、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨，并烘干。
所述步骤S2中的混合是将MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3在V型混粉机中混合均匀；高温熔制温度为1500℃，保温2h；水淬是将高温熔融玻璃液倒入去离子水中；研磨是将水淬后的玻璃渣、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨，并烘干。
所述步骤S3是将BaZrO3陶瓷粉和MSBCA玻璃粉与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，并烘干，得到的所述微波介质材料粉料的粒径为0.5～1.5μm。
以下将通过几个更优的具体实施例，对本发明进行详细阐述。
实施例1
S1、BaZrO3陶瓷粉料的制备：按摩尔比1:1分别称取BaCO3和ZrO2，将粉料与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，烘干，预烧温度为1050℃，保温3h，然后将预烧后的粉体、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨至粒径为1.0μm，并烘干。
S2、MSBCA玻璃粉的制备：按照质量百分比14.2％的MgO、43.2％的SiO2、5.1％的B2O3、20.5％的CaO、17％的Al2O3称取氧化物，在V型混粉机中混合均匀，1500℃高温熔制，保温2h，在去离子水中水淬，将水淬后的玻璃渣、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨至粒径为3.5μm，并烘干。
S3、微波介质材料粉料的制备：按质量百分比称取70％的BaZrO3陶瓷粉、30％MSBCA玻璃粉，将粉料与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨至粒径为0.5μm，并烘干。
S4、造粒：按所述微波介质材料粉料的重量计算，添加重量百分比为10％的PVA水溶液进行造粒，得到造粒粉；
S5、成型：将所述造粒粉压制成为生坯；
S6、烧结：将所述生坯置于箱式炉中烧结，烧结温度为920℃，保温时间为3h，得到低介电微波介质陶瓷材料。
采用TE01D谐振腔和E5071C网络分析仪对低介电微波介质陶瓷材料样品进行常温下测试，采用温变箱进行谐振频率温度系数(-40℃～80℃)的测试。测得材料的微波介电性能为：εr＝13.6，Tanδ＝0.0009，τf＝-16ppm/℃。
实施例2
S1、BaZrO3陶瓷粉料的制备：按摩尔比1:1分别称取BaCO3和ZrO2，将粉料与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，烘干，预烧温度为1050℃，保温3h，然后将预烧后的粉体、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨至粒径为2.0μm，并烘干。
S2、MSBCA玻璃粉的制备：按照质量百分比14.2％的MgO、43.2％的SiO2、5.1％的B2O3、20.5％的CaO、17％的Al2O3称取氧化物，在V型混粉机中混合均匀，1500℃高温熔制，保温2h，在去离子水中水淬，将水淬后的玻璃渣、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨至粒径为2.0μm，并进行烘干。
S3、微波介质材料粉料的制备：按质量百分比称取50％的BaZrO3陶瓷粉、50％的MSBCA玻璃粉，将粉料与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨至粒径为1.5μm，并进行烘干。
S4、造粒：按所述微波介质材料粉料的重量计算，添加重量百分比为10％的PVA水溶液进行造粒，得到造粒粉；
S5、成型：将所述造粒粉压制成为生坯；
S6、烧结：将所述生坯置于箱式炉中烧结，烧结温度为920℃，保温时间为3H，得到低介电微波介质陶瓷材料。
采用TE01D谐振腔和E5071C网络分析仪对低介电微波介质陶瓷材料样品进行常温下测试，采用温变箱进行谐振频率温度系数(-40℃～80℃)的测试。测得材料的微波介电性能为：εr＝11.3，Tanδ＝0.0013，τf＝-14ppm/℃。
实施例3
S1、BaZrO3陶瓷粉料的制备：按摩尔比1:1分别称取BaCO3和ZrO2，将粉料与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，烘干，预烧温度为1050℃，保温3h，然后将预烧后的粉体、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨至粒径为4.0μm，并烘干。
S2、MSBCA玻璃粉的制备：按照质量百分比14.2％的MgO、43.2％的SiO2、5.1％的B2O3、20.5％的CaO、17％的Al2O3称取氧化物，在V型混粉机中混合均匀，1500℃高温熔制，保温2h，在去离子水中水淬，将水淬后的玻璃渣、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨至粒径为2.5μm，并进行烘干。
S3、微波介质材料粉料的制备：按质量百分比称取60％的BaZrO3陶瓷粉、40％的MSBCA玻璃粉，将粉料与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨至粒径为0.9μm，并进行烘干。
S4、造粒：按所述微波介质材料粉料的重量计算，添加重量百分比为10％的PVA水溶液进行造粒，得到造粒粉；
S5、成型：将所述造粒粉压制成为生坯；
S6、烧结：将所述生坯置于箱式炉中烧结，烧结温度为900℃，保温时间为3H，得到低介电微波介质陶瓷材料。
采用TE01D谐振腔和E5071C网络分析仪对低介电微波介质陶瓷材料样品进行常温下测试，采用温变箱进行谐振频率温度系数(-40℃～80℃)的测试。测得材料的微波介电性能为：εr＝12.5，Tanδ＝0.0011，τf＝-17ppm/℃。
实施例4
S1、BaZrO3陶瓷粉料的制备：按摩尔比1:1分别称取BaCO3和ZrO2，将粉料与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，烘干，预烧温度为1050℃，保温3h，然后将预烧后的粉体、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨至粒径为1.5μm，并烘干。
S2、MSBCA玻璃粉的制备：按照质量百分比14.2％的MgO、43.2％的SiO2、5.1％的B2O3、20.5％的CaO、17％的Al2O3称取氧化物，在V型混粉机中混合均匀，1500℃高温熔制，保温2h，在去离子水中水淬，将水淬后的玻璃渣、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨至粒径为4.0μm，并进行烘干。
S3、微波介质材料粉料的制备：按质量百分比称取60％的BaZrO3陶瓷粉、40％的MSBCA玻璃粉，将粉料与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨至粒径为0.6μm，并进行烘干。
S4、造粒：按所述微波介质材料粉料的重量计算，添加重量百分比为10％的PVA水溶液进行造粒，得到造粒粉；
S5、成型：将所述造粒粉压制成为生坯；
S6、烧结：将所述生坯置于箱式炉中烧结，烧结温度为880℃，保温时间为3H，得到低介电微波介质陶瓷材料。
采用TE01D谐振腔和E5071C网络分析仪对低介电微波介质陶瓷材料样品进行常温下测试，采用温变箱进行谐振频率温度系数(-40℃～80℃)的测试。测得材料的微波介电性能为：εr＝12.7，Tanδ＝0.0012，τf＝-15ppm/℃。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低介电微波介质材料，其特征在于，由以下重量百分比的各组分制备而成：50％～70％的BaZrO3陶瓷粉和30％～50％的MSBCA玻璃粉；所述BaZrO3陶瓷粉由BaCO3和ZrO2制备而成，所述MSBCA玻璃粉由MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3制备而成。
2.如权利要求1所述的低介电微波介质材料，其特征在于，所述MSBCA玻璃粉由如下重量百分比的各组分制备而成：14.2％的MgO、43.2％的SiO2、5.1％的B2O3、20.5％的CaO、17％的Al2O3。
3.如权利要求2所述的低介电微波介质材料，其特征在于，所述Al2O3的粒径为50～200nm。
4.如权利要求1所述的低介电微波介质材料，其特征在于，所述BaZrO3陶瓷粉的粒径为1.0～4.0μm，且所述MSBCA玻璃粉的粒径为2.0～4.0μm。
5.如权利要求1所述的低介电微波介质材料，其特征在于，所述BaZrO3陶瓷粉由摩尔比1:1的BaCO3和ZrO2制备而成。
6.如权利要求5所述的低介电微波介质材料，其特征在于，所述ZrO2的粒径为50～200nm。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的低介电微波介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、BaZrO3陶瓷粉的制备：预定比例分别称取BaCO3和ZrO2，然后混合、烘干、预烧、研磨、烘干；
S2、MSBCA玻璃粉的制备：按预定比例分别称取MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3，然后混合、高温熔制、水淬、研磨、烘干；
S3、微波介质材料粉料的制备：按质量百分比称取50％～70％的BaZrO3陶瓷粉、30％～50％的MSBCA玻璃粉，然后混合、研磨、烘干，得到所述微波介质材料粉料；
S4、造粒：按所述微波介质材料粉料的重量计算，添加重量百分比为10％的PVA水溶液进行造粒，得到造粒粉；
S5、成型：将所述造粒粉压制成为生坯；
S6、烧结：将所述生坯在850～950℃的温度下进行烧结，得到所述低介电微波介质陶瓷材料。
8.如权利要求7所述的低介电微波介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中混合是将BaCO3和ZrO2与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，并烘干；所述预烧的温度为1050℃，保温3h；所述研磨是将预烧后的粉体、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨，并烘干。
9.如权利要求7所述的低介电微波介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的混合是将MgO、SiO2、B2O3、CaO、Al2O3在V型混粉机中混合均匀；高温熔制温度为1500℃，保温2h；水淬是将高温熔融玻璃液倒入去离子水中；研磨是将水淬后的玻璃渣、去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行磨细研磨，并烘干。
10.如权利要求7所述的低介电微波介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3是将BaZrO3陶瓷粉和MSBCA玻璃粉与去离子水、研磨球加入研磨罐中，置于行星球磨机进行混合研磨，并烘干，得到的所述微波介质材料粉料的粒径为0.5～1.5μm。
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