CN112573920B - 一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料及其制备方法与应用，其中，所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料的化学组成为Ca0.7(ZnMgNdSmYb)0.2GeO4。本发明制备的高熵陶瓷材料Ca0.7(ZnMgNdSmYb)0.2GeO4烧结致密度高，成本低；其品质因数Q×f值高达490000‑580000GHz，介电损耗tanδ达到2.46×10‑5～2.88×10‑5；介电常数达到9.8～10.4；谐振频率的温度系数τf小(‑9～‑7ppm/℃)，温度稳定性好；可广泛用于各种介质天线基板、谐振器和滤波器等高端微波器件的制造。

Description

一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，特别涉及一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料及其制备方法与应用。
背景技术
微波介质陶瓷是指应用于微波频段(300MHz～300GHz)电路中的一种功能电介质材料，适于生产微波谐振器、滤波器、振荡器、介质天线等多种微波元器件。在卫星通讯、现代通信、军用雷达以及国防等方面有着十分广泛的应用。高熵设计策略是近年来出现的新的材料设计理论，目前已成为材料研究领域的一大热点，其概念最初由高熵合金(HEAs)发展而来。高熵材料的世界是多样的，通过添加组元元素，材料出现一些新颖的性质，然后通过调整成分浓度进行对其性能进行微调，可以发现材料的大量优异性能。与传统陶瓷材料相比，高熵陶瓷(HECs)具有良好的结构稳定性、优异的力学性能以及卓越的电学性能，有望应用于电子、能源与环境等领域。
应用于微波频段的介电高熵陶瓷，应满足如下介电特性的要求：(1)系列化介电常数εr以适应不同频率及不同应用场合的要求；(2)高的品质因数Q值或低的介质损耗tanδ以降低噪音，一般要求Q×f≥3000GHz；(3)谐振频率的温度系数τf尽可能小以保证器件具有好的热稳定性，一般要求-10ppm/℃≤τf≤+10ppm/℃。国际上从20世纪30年代末就有人尝试将电介质材料应用于微波技术,并制备出TiO2微波介质滤波器，但其谐振频率温度系数τf太大而无法实用化。上世纪70年代以来，开始了大规模的对介质陶瓷材料的开发工作，根据相对介电常数εr的大小与使用频段的不同，通常可将已被开发和正在开发的微波介质陶瓷分为4类。
(1)超低介电常数微波介电陶瓷，主要代表是Al2O3-TiO2、Y2BaCuO5、MgAl2O4和Mg2SiO4等，其εr≤15，品质因数Q×f≥50000GHz，τf≤10ppm/℃。主要用于微波基板以及高端微波元器件。
(2)低εr和低介电损耗的微波介电陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta2O5、BaO-ZnO-Ta2O5或BaO-MgO-Nb2O5、BaO-ZnO-Nb2O5系统或它们之间的复合系统MWDC材料。其εr＝15～35，Q＝(1～2)×10-4(在f≥10GHz下),τf≈0。主要应用于f≥8GHz的卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件。
(3)中εr和中介电损耗的微波介电陶瓷，主要是以BaTi4O9、Ba2Ti9O20和(Zr、Sn)TiO4等为基的MWDC材料,其εr＝35～60，Q＝(6～9)×10-3(在f＝3～9GHz下)，τf≤5ppm/℃。主要用于4～8GHz频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件。
(4)高εr和高介电损耗的微波介电陶瓷，主要用于0.8～4GHz频率范围内民用移动通讯系统，这也是微波介电陶瓷研究的重点。80年代以来，Kolar、Kato等人相继发现并研究了类钙钛矿钨青铜型BaO-Ln2O3-TiO2系列(Ln＝La、Sm、Nd或Pr等，简称BLT系)、复合钙钛矿结构CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系列、铅基系列材料、Ca1-xLn2x/3TiO3系等高εr微波介电陶瓷，其中BLT体系的BaO-Nd2O3-TiO2材料介电常数达到90，铅基系列(Pb,Ca)ZrO3介电常数达到105。
以上这些材料体系的烧结温度一般高于1300℃，不能直接与Ag和Cu等低熔点金属共烧形成多层陶瓷电容器。近年来，随着低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Co-firedCeramics,LTCC)的发展和微波多层器件发展的要求，国内外的研究人员对一些低烧体系材料进行了广泛的探索和研究，主要是采用微晶玻璃或玻璃-陶瓷复合材料体系，因低熔点玻璃相具有相对较高的介质损耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介质损耗。因此研制无玻璃相的低烧微波介质陶瓷材料是当前研究的重点。
在探索与开发新型可低烧微波介电陶瓷材料的过程中，固有烧结温度低的Li基化合物、Bi基化合物、Ge基化合物、钨酸盐体系化合物和碲酸盐体系化合物等材料体系得到了广泛关注与研究，但是由于微波介电陶瓷的三个性能指标(εr与Q×f和τf)之间是相互制约的关系(见文献：微波介质陶瓷材料介电性能间的制约关系，朱建华，梁飞，汪小红，吕文中，电子元件与材料，2005年3月第3期)，满足三个性能要求且可低温烧结的单相微波介质陶非常少，主要是它们的谐振频率温度系数通常过大或者品质因数偏低而无法实现应用要求。目前对微波介质陶瓷的研究大部分是通过大量实验而得出的经验总结,却没有完整的理论来阐述微观结构与介电性能的关系，因此，在理论上还无法从化合物的组成与结构上预测其谐振频率温度系数和品质因数等微波介电性能，这在很大程度上限制了低温共烧技术及微波多层器件的发展。探索与开发既能低温烧结同时具有近零谐振频率温度系数与较高品质因数的微波介电陶瓷是本领域技术人员一直渴望解决但始终难以获得成功的难题。
因此，现有技术还有待遇改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料及其制备方法与应用。
本发明的技术方案如下：
一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料，其中，所述高熵陶瓷材料的化学组成为Ca0.7(ZnMgNdSmYb)0.2GeO4。
一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其中，包括步骤：
将纯度>99.9％的CaCO3、ZnO、MgO、Nd2O3、Sm2O3、Yb2O3和GeO2的原始粉末按0.7：0.2：0.2：0.2：0.2：0.2：1的摩尔比组成称量配料；
将所述原始粉末混合并进行湿磨处理，烘干后在1000℃大气气氛中预烧5-8小时，得到预烧结粉末；
向所述预烧结粉末中加入粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1160～1240℃大气气氛中烧结5-8小时，制得所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料。
所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其中，所述粘结剂为质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液。
所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其中，所述粘结剂占所述原始粉末总质量的3％。
所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其中，将所述原始粉末混合并进行湿磨处理的步骤包括：
将所述原始粉末放入湿式球磨机中进行湿磨处理10-15小时，球磨介质为无水乙醇。
一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的应用，其中，将本发明所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料或本发明所述制备方法制得的超低介电损耗的高熵陶瓷材料用于生产微波元器件。
所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料的应用，其中，所述微波元器件为微波谐振器、滤波器、振荡器或介质天线中的一种。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法简单易实现，制得的高熵陶瓷材料Ca0.7(ZnMgNdSmYb)0.2GeO4烧结致密度高，成本低；其品质因数Q×f值高达490000-580000GHz，介电损耗tanδ达到2.46×10-5～2.88×10-5；介电常数达到9.8～10.4；谐振频率的温度系数τf小(-9～-7ppm/℃)，温度稳定性好；可广泛用于各种介质天线基板、谐振器和滤波器等高端微波器件的制造。
附图说明
图1为本发明一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法较佳实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料，其化学组成为Ca0.7(ZnMgNdSmYb)0.2GeO4。
在一些实施方式中，还提供一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，如图1所示，其包括步骤：
S10、将纯度>99.9％的CaCO3、ZnO、MgO、Nd2O3、Sm2O3、Yb2O3和GeO2的原始粉末按0.7：0.2：0.2：0.2：0.2：0.2：1的摩尔比组成称量配料；
S20、将所述原始粉末混合并进行湿磨处理，烘干后在1000℃大气气氛中预烧5-8小时，得到预烧结粉末；
S30、向所述预烧结粉末中加入粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1160～1240℃大气气氛中烧结5-8小时，制得所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料。
本实施例提供的超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法简单易实现，制得的高熵陶瓷材料Ca0.7(ZnMgNdSmYb)0.2GeO4烧结致密度高，成本低；其品质因数Q×f值高达490000-580000GHz，介电损耗tanδ达到2.46×10-5～2.88×10-5；介电常数达到9.8～10.4；谐振频率的温度系数τf小(-9～-7ppm/℃)，温度稳定性好。
在一些实施方式中，所述粘结剂为质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液。
在一些实施方式中，所述粘结剂占所述原始粉末总质量的3％。
在一些实施方式中，将所述原始粉末放入湿式球磨机中进行湿磨处理10-15小时，球磨介质为无水乙醇。
在一些实施方式中，还提供一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的应用，其将本发明所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料或本发明所述制备方法制得的超低介电损耗的高熵陶瓷材料用于生产微波元器件。作为举例，所述微波元器件为微波谐振器、滤波器、振荡器或介质天线中的一种，但不限于此。
下面通过具体实施例对本发明一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法及其性能做进一步的解释说明：
实施例1
一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其包括步骤：
(1)、将纯度>99.9％(重量百分比)的CaCO3、ZnO、MgO、Nd2O3、Sm2O3、Yb2O3和GeO2原始粉末按0.7：0.2：0.2：0.2：0.2：0.2：1的摩尔比组成称量配料；
(2)将步骤(1)的原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为无水乙醇，烘干后在1000℃大气气氛中预烧6小时；
(3)在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1160℃大气气氛中烧结6小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量占粉末总质量的3％。
实施例2
一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其包括步骤：
(1)、将纯度>99.9％(重量百分比)的CaCO3、ZnO、MgO、Nd2O3、Sm2O3、Yb2O3和GeO2原始粉末按0.7：0.2：0.2：0.2：0.2：0.2：1的摩尔比组成称量配料；
(2)将步骤(1)的原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为无水乙醇，烘干后在1000℃大气气氛中预烧6小时；
(3)在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1180℃大气气氛中烧结6小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量占粉末总质量的3％。
实施例3
一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其包括步骤：
(1)、将纯度>99.9％(重量百分比)的CaCO3、ZnO、MgO、Nd2O3、Sm2O3、Yb2O3和GeO2原始粉末按0.7：0.2：0.2：0.2：0.2：0.2：1的摩尔比组成称量配料；
(2)将步骤(1)的原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为无水乙醇，烘干后在1000℃大气气氛中预烧6小时；
(3)在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1200℃大气气氛中烧结6小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量占粉末总质量的3％。
实施例4
一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其包括步骤：
(1)、将纯度>99.9％(重量百分比)的CaCO3、ZnO、MgO、Nd2O3、Sm2O3、Yb2O3和GeO2原始粉末按0.7：0.2：0.2：0.2：0.2：0.2：1的摩尔比组成称量配料；
(2)将步骤(1)的原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为无水乙醇，烘干后在1000℃大气气氛中预烧6小时；
(3)在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1240℃大气气氛中烧结6小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量占粉末总质量的3％。
用圆柱介质谐振器法对实施例1-实施例4制得的超低介电损耗的高熵陶瓷材料进行微波介电性能的评价。具体是通过Hakki–Coleman方法是测量固体材料介电常数，εr仅在对应于TE011模式的一个谐振频率时可以测量。为了避免传导和辐射损耗的问题，微波介质陶瓷样品的Q值可以通过谐振腔法进行测量，样品被放置在一个低损耗的间隔内腔中。谐振频率温度系数是谐振器热稳定性的量度。它表示谐振频率相对于温度的“漂移”，谐振频率与温度的关系为：
Figure BDA0002824450170000071
结果如表1所示：
表1微波介电性能
Figure BDA0002824450170000072
Figure BDA0002824450170000081
从表1可以看出，本发明制备的超低介电损耗的高熵陶瓷材料Ca0.7(ZnMgNdSmYb)0.2GeO4烧结致密度高；其品质因数Q×f值高达490000-580000GHz，介电损耗tanδ达到2.46×10-5～2.88×10-5；介电常数达到9.8～10.4；谐振频率的温度系数τf小(-9～-7ppm/℃)，温度稳定性好；可广泛用于各种介质天线基板、谐振器和滤波器等高端微波器件的制造。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将纯度>99.9wt%的CaCO3、ZnO、MgO、Nd2O3、Sm2O3、Yb2O3和GeO2的原始粉末按0.7：0.2：0.2：0.2：0.2：0.2：1的摩尔比组成称量配料；
将所述原始粉末混合并进行湿磨处理，烘干后在1000℃大气气氛中预烧5-8小时，得到预烧结粉末；
向所述预烧结粉末中加入粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1160~1240℃大气气氛中烧结5-8小时，制得所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料；
其中，所述高熵陶瓷材料的化学组成为Ca0.7(ZnMgNdSmYb)0.2GeO4；
将所述原始粉末混合并进行湿磨处理的步骤包括：
将所述原始粉末放入湿式球磨机中进行湿磨处理10-15小时，球磨介质为无水乙醇；
所述高熵陶瓷材料的品质因数Q×f值为490000~580000 GHz；介电损耗tan
Figure 546230DEST_PATH_IMAGE001
为2.46×10-5~2.88×10-5；介电常数为9.8~10.4；谐振频率的温度系数τƒ为-9~-7ppm/℃。
2.根据权利要求1所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液。
3.根据权利要求1所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂占所述原始粉末总质量的3%。
4.一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料的应用，其特征在于，将权利要求1-3任一所述制备方法制得的超低介电损耗的高熵陶瓷材料用于生产微波元器件。
5.根据权利要求4所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料的应用，其特征在于，所述微波元器件为微波谐振器、滤波器、振荡器或介质天线中的一种。
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