CN112745122A - 一种高功率高介电常数石榴石的制备方法及石榴石 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率高介电常数石榴石的制备方法，包括以下步骤：(1)按化学式Y_{3‑x‑z‑z′‑y‑2x′‑z″‑p‑q}Bi_xSm_zGd_z′Ca_{2x′+y+z″+p+ q}Zr_ySn_pTi_qGe_z″In_p′V_x′Mn_wAl_w′Fe_{5‑x′‑y‑z″‑p‑q‑w‑w′‑δ‑p′}O₁₂配料，其中0≤x≤1.3，0≤x′≤0.70，0≤y≤0.70，0≤z≤1.0，0≤z′≤1.0，0≤z″≤1.5，0≤p≤0.50，0≤q≤0.50，0≤w≤1.30，0≤p′≤0.50，0≤w′≤0.10，缺铁量δ为0≤δ≤0.50；(2)一次球磨；(3)干燥后在氧化气氛中一次预烧；(4)二次球磨；(5)干燥后在氧化气氛中二次预烧；(6)三次球磨；(7)干燥并造粒，将粒料初步压制成坯件，再冷等静压；(8)将成型的坯件放入氧化气氛的炉内烧结，烧结温度900～1450℃，保温时间30～100小时。通过工艺手段，促进固相反应程度，减少富Bi相的形成，并在配方上利用稀土离子Sm³⁺取代，获得同时具有较低ΔH和较高ΔH_k及高介电常数ε′的高磁矩石榴石材料。

Description

一种高功率高介电常数石榴石的制备方法及石榴石

技术领域

本发明涉及声源定位技术领域，特别涉及一种高功率高介电常数石榴石的制备方法及石榴石。

背景技术

微波铁氧体器件(环行器、隔离器、移相器等)在微波系统中担负着通道选择、隔离、开关、移相、极化状态控制等方面的任务，在微波技术中占有重要地位，现已广泛用于通信、雷达、航空、航天、卫星等及军民两用的高科技领域。近年来，隋着5G和军用通信技术快速发展系统对所用微波铁氧体材料和器件在小型化和高功率等方面提出了更高要求，特别是5G基站的高速发展又为微波铁氧体材料和器件带来了新的发展机遇。

小型化和高功率是通信技术的主要发展趋势，作为器件核心的微波铁氧体材料理当为满足这一发展趋势有所作为。基站用环行器、隔离器对微波铁氧体材料要求为：1)饱和磁化强度4πM_s需适宜于系统工作频率上移的要求，相应地器件要求微波铁氧体材料之4πM_s值为1950G～5000G；2)铁磁共振线宽(ΔH)/有效线宽(ΔH_eff)窄；3)介电常数(ε′)高，介电损耗(tanδ_ε)低；4)4πM_s温度系数(α_T)低/、居里温度(T_c)高；5)功率承受能力满足使用要求/有较高自旋波线宽(ΔH_k)等。其中ΔH_eff/ΔH反映了材料微波磁损耗，与器件插入损耗密切相关；介电常数ε′的提高乃是器件小型化的必由之路；自旋波线宽ΔH_k则限制了器件功率承受能力。微波铁氧体材料的技术难点就在于这些技术指标之间是互制约的，特别是低损耗的ΔH_eff/ΔH与高ε′和高ΔH_k是彼此相矛盾着的两对参数，这就要求我们要在配方和工艺两个方面进行创新，就此分述如下。

(一)小型化问题—高介电常数石榴石

铁氧体环行器、隔离器的体积远高于半导体等元器件，因此对其小型化、平面化的要求尤为迫切。考虑到电磁波在介质中传播的波长与介电常数的平方根成反比，所以微波铁氧体器件小型化的重要手段在于提高传播介质-微波铁氧体的介电常数(参见文献：微波铁氧体介电常数研究进展及回顾，[J].磁性材料与器件，2019,50(1):47-57)。实验已表明Bi³⁺取代是提高石榴石铁氧体介电常数的有效措施。早在1966年Hodges等给出的BiCaVIG材料性能就已揭示了其介电常数ε′随着Bi³⁺含量增加而线性增大(参见文献：微波铁氧体介电常数研究进展及回顾，[J].磁性材料与器件，2019,50(1):47-57)。1981年韩志全等报导了在十二面体位上用Bi³⁺取代Y³⁺的Bi:YCaVIG(Bi_xY_1.2-xCa_1.8Sn_0.3V_0.5Ge_0.5Fe_3.7O₁₂，x＝0～1.2)，给出了Bi取代量x对石榴石晶格常数、居里温度、铁磁共振线宽等性能的影响，其中也有ε′随Bi含量而线性增加的结果。但是由于Bi难于进入石榴石，特别是高Bi含量材料对固相反应条件要求十分苛刻，ΔH在Bi含量>0.6时显著增大(参见文献：韩志全，杨丽明，张秀云.一种新的钇钙钒石榴石[J].磁性材料及器件，1981,12(4):34-37)。1982年他们在国际磁学会议(INTERMAG)上发表了Bi³⁺对Bi_xY_1.2-xCa_1.8Sn_0.3V_0.5Ge_0.5Fe_3.7O₁₂(x＝0～1.2)固相反应过程影响的报告(参见文献：Zhiquan Han,Grain Size,Chemical Homogeneity andResonance Linewidth in Bismum-Calcium-Vanadium Substituted YIG,[A].Proceedings of the fifth Inter.Conf.on Ferrites(ICF-5),[C],India Bombay,[J].Crystal Properties and Preparation,1989,27-30.Pt.II,995-999)。1989年他们又在第五届国际铁氧体会议(ICF-5)上发表了题为“Bi-Ca-V取代的YIG的晶粒尺寸、化学均匀性和铁磁共振线宽研究”报告(参见文献：Zhiquan Han,liming Yang,xiouyun Zhang,TheEffects of Bi³⁺on the Behavior of V⁵⁺of CaVIG in the Solid State ReactionProcess.[J].IEEE Trans on Mag.MAG-18,1982,1627-1629)。近年来，随着移动通信基站的升级改造，5G对高介电常数石榴石的要求更加迫切。

2014年和2016年Trans Tech公司的Cruickshank等人分别发表了两个美国专利，公布了具有高介电常数的Bi:YCaM^IM^IIVIG材料的性能，其中M^I为代换八面体位Fe的元素(In、Sn、Mg、Zr及其组合)，M^II为代换四面体位Fe的元素(Ga、W、Mo、Ge、V、Si及其组合)，其中不含Y的Bi_1.4Ca_1.6Zr_0.55V_0.525Fe_3.925O₁₂材料具有：ε′＝27，ΔH<12Oe,4πM_s:1150G,T_C＝160℃的优异性能(参见文献：US8696925B2和US9263175B2)。2016年12月美国天工方案公司的Cruickshank等人公布了与美国Trans Tech公司专利大同小异的Bi:YGdCaZrIG复合石榴石中国专利CN 106242547A，名称为“超高介电常数石榴石”，化学通式为Bi_xCa_yGd_z Y_{3-x-y- z}Zr_yO₁₂等。该专利的特点是Bi含量高(1.4～2.5/mol)、介电常数高(ε′≥31)。但是线宽较小的高ε′材料之4πM_s范围很窄，难于满足5G通信的要求。

关于Bi³⁺可提高介电常数的机理，研究指出：Bi³⁺的特点是6p电子具有极强的自旋-轨道(S-L)耦合作用和很强的共价键形成能力，受Bi³⁺的6p电子影响O^2－的2p电子的S-L耦合增强了，因此与O^2－的2p电子存在超交换作用及电子云交叠的Fe³⁺的3d电子也带上了很大的自旋-轨道耦合，而使其轨道角动量被自旋角动量所带动而取向——解冻，解冻了的部分Fe³⁺的3d电子轨道角动量<L_z>≠0，使得在杂化轨道上由3d电子云所形成的负电中心与原子核的正电中心之间的距离比冻结时<L_z>为0的要大、正负离子(Fe³⁺、O^2－)之间沿电场方向移动的范围也被扩大，因而介电常数增大(参见文献：微波铁氧体介电常数研究进展及回顾，[J].磁性材料与器件，2019,50(1):47-57)。这一理论机制透彻地解释了含Bi³⁺石榴石的高介电常数起因，也说明了因其S-L耦合机制强将带来材料内禀线宽增大的可能性。

(二)高功率问题-高自旋波线宽石榴石

器件的平面化、小型化使得基片承载的功率密度成数倍增高，加剧了器件产生高功率非线性效应之风险。而微波铁氧体器件功率承受能力又受限于材料的高功率非线性效应，即在高于阈值h_c的功率下，会产生由自旋波不稳定激发而引起的低场一侧的次共振峰(一级非线性)和主峰饱和(二级非线性)，致使器件出现损耗急剧增大、性能恶化、打火等问题(参见文献：韩志全.铁氧体及其磁性物理[M].北京：航空工业出版社，2010.6-13,97-98,158-159.)。为避免高功率非线性效应，关键措施在于提高材料的高功率临界场h_c或自旋波线宽ΔH_k，(h_c∝ΔH_k)。提高ΔH_k的途径有两个，一是掺入快弛豫杂质离子，二是晶粒细化。晶粒的细化往往伴随气孔的产生使ΔH增大，热压烧结又不便采用。掺入快弛豫杂质离子的方法简便易行，但在提升ΔH_k的同时带来线宽ΔH和有效线宽ΔH_eff的增大。在稀土快弛豫稀杂质离子中通常人们选用的是Dy³⁺，因为它具有较高的优值系数(F_ph)。实验报道的Dy取代所引发的线宽增量δ(ΔH)为15～29Oe/0.01molDy、自旋波线宽增量约为δ(ΔH_k)＝5Oe/0.01mol Dy(参见文献：Zhiquan Han and Shijing Ren,Investigation in the of theΔH,ΔH_eff,ΔH_k on Some Garnet,[A].Proceedings of the 10th Inter.[A].Proceeding of the 10th International Conference on Ferrites,2008:343-350)。所以说Dy:YGdIG材料存在的问题仍是高功率性能与低损耗的矛盾较为突出。

为寻求掺入稀土杂质所带来的ΔH_k提高和ΔH增大间的较好折中，最近公布的Sm³⁺取代的专利为给人们带来了新的希望(参见文献：CN105347782A)。2016年2月该专利所公布的Sm³⁺:YGdCaSnVIGs化学式为Sm_xY_{3-x-y-2z-p-q-q'}Gd_yCa_2z+p+q+q'V_zGe_p Sn_qTi_q′In_q″Al_wMn_w′Fe_{5-z-p-q-q′-q″-w-w′-δ}O₁₂。该专利指出稀土离子Sm³⁺作为快弛豫离子的优点就在于所引起的ΔH_k和ΔH增大要弱于Dy³⁺，其线宽增量δ(ΔH)＝8Oe/0.01molSm，只相当于Dy³⁺的δ(ΔH)(15～29Oe/0.01molDy)(参见文献：Hodges L R,Rodrigue G P,Harrision G R,et al.Magneticand microwave properties of calcium vanadium-substituted garnets[J].J ApplPhys,1966,37(3):1085)的二分之一或更少，但是未见相关ΔH_k的数据。鉴于此，为获得同时具有高ε′和高ΔH_k的高功率石榴石材料，本专利对Bi<1.2/mol(ε′<27±)的BiYCaZrIG进行了少量Sm³⁺对十二面体位Y³⁺的取代，测量了ΔH_k，研究了ΔH_k和ΔH与Sm含量x及工艺的关系(不含Sm时ΔH_k值约3.0±Oe)。结果为δ(ΔH_k)≈3～5Oe/0.01molSm，小于等于Dy的δ(ΔH_k)增量值；而线宽增量δ(ΔH)≈5～10Oe/0.01molSm却只有Dy的线宽增量δ(ΔH)值的三分之一。这说明通过微量Sm取代的BiYCaZrIG可以以较小的ΔH增加为代价换来所需的自旋波线宽增大δ(ΔH_k)。即，采用本专利将稀土元素Sm掺入高介电常数石榴石后的SmBiYCaZrIG，可以使得器件在满足小型化的同时还可只付出较小插损代价来获得同等的功率容量提升。

(三)提高BiYCaZrIG固相反应完成程度的制备技术由于Bi³⁺的离子半径大(1.03×10^-10m)远高于被取代的Y³⁺的离子半径(0.90×10^-10m)，故当取代量较大时Bi³⁺难于进入石榴石十二面体晶位，因此高Bi含量石榴石的制备对形成单相固溶体的工艺之要求相当苛刻。文献表明，当Bi含量x从0增加到1.2时，石榴石的晶格常数、居里温度和介电常数均随Bi含量x而线性增大；铁磁共振线宽ΔH则先平后升，在x>0.6时升势增大；x>0.8时金相观测看到另相亮斑，分析表明ΔH的显著增大主要来自固相反应不完全致宽及另相致宽(参见文献：微波铁氧体介电常数研究进展及回顾，[J].磁性材料与器件，2019,50(1):47-57.和韩志全，杨丽明，张秀云.一种新的钇钙钒石榴石[J].磁性材料及器件，1981,12(4):34-37.)。

Ca²⁺的离子半径较大(0.99×10^-10m)，作为平衡八面体位四价代换离子Zr⁴⁺、Sn⁴⁺等电价的Ca²⁺离子在十二面体位的存在，“撑大”了晶格将有利于Bi³⁺进入石榴石晶位。值得注意的是，由氧离子构成的十二面体位与八面体位之间有一条公用的边。从离子半径看Zr⁴⁺(0.072×10^-10m)>Sn⁴⁺(0.069×10^-10m)>Fe³⁺(0.0645×10^-10m)，三者中离子半径最大的是Zr^{4 +}。所以采用了Zr⁴⁺去取代八面体位上Fe³⁺，可起到促进Bi进入石榴石晶位的作用，因而在所有高Bi含量石榴石中都将选用Zr⁴⁺作为八面体位上的代换离子，即选用BiYCaZrIG材料系列。此外，Sm³⁺的离子半径也较大，0.0958×10^-10m，实验表明Sm³⁺也有促进Bi进入石榴石促进固相反应完成的作用。

当Bi³⁺取代量x>1.0时，尽管在八面体和十二面体位都采用了尽可能多的大离子半径的Zr⁴⁺、Ca²⁺等离子代换，然而，欲达到使Bi³⁺全部进入十二面体位晶格、形成单相固溶体的目标，尚离不开工艺设计的配合和努力。

发明内容

为解决现有技术的一个或多个技术问题，本发明提供一种高功率高介电常数石榴石的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据化学式:

Y_{3-x-z-z′-y-2x′-z″-p-q}Bi_xSm_zGd_z′Ca_{2x′+y+z″+p+q}Zr_ySn_pTi_qGe_z″In_p′V_x′Mn_wAl_w′Fe_{5-x′-y-z″-p-q-w-w′-δ-p′}O₁₂，

其中：0≤x≤1.3，0≤x′≤0.70，0≤y≤0.70，0≤z≤1.0，0≤z′≤1.0，0≤z″≤1.5，0≤p≤0.50，0≤q≤0.50，0≤w≤1.30，0≤p′≤0.50，0≤w′≤0.10，缺铁量δ为0≤δ≤0.50，进行配料，使用Sm₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、Bi₂O₃、Fe₂O₃、CaCO₃、ZrO₂、In₂O₃、SnO₂、TiO₂、GeO₂、V₂O₅、Al(OH)₃、MnCO₃为原材料；

(2)对原材料进行一次球磨；

(3)干燥后在氧化气氛中一次预烧；

(4)二次球磨；

(5)干燥后在氧化气氛中二次预烧；

(6)三次球磨；

(7)干燥并造粒，再将粒料初步压制成坯件，然后冷等静压；

(8)将成型的坯件放入氧化气氛的炉内烧结，烧结温度900～1450℃，保温时间为30～100小时。

其中，Sm₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃的纯度≥99.9％，Bi₂O₃、Fe₂O₃、CaCO₃、ZrO₂、In₂O₃、SnO₂、TiO₂、GeO₂、V₂O₅、Al(OH)₃、MnCO₃可以为分析纯。。

在一些实施方式中，对Sm₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃进行灼烧处理，灼烧温度为850～1200℃，以去除其中水份。

在一些实施方式中，在每次球磨步骤中，按料∶球∶稀释剂＝1∶(2～5)∶(0.7～1.2)的比例进行球磨，稀释剂为去离子水或/和酒精，其中二次球磨和三次球磨在料粉粒度≤1.2μm时出料。

在一些实施方式中，在两次预烧步骤中，将原材料浆料烘干后过筛，制成块状或粉状装入刚玉坩埚或匣钵中，放入氧化气氛的炉内进行预烧，预烧温度为800～1250℃，保温时间2～16h。

在一些实施方式中，在步骤(7)中，对料浆进行干燥并造粒，造粒时加入胶合剂，胶合剂为含4～10wt％的聚乙稀醇水溶液。

在一些实施方式中，冷等静压的压力≥98MPa。

本发明还公开高功率高介电常数的石榴石，该石榴石为单相石榴石结构，其组分为：

Y_{3-x-z-z′-y-2x′-z″-p-q}Bi_xSm_zGd_z′Ca_{2x′+y+z″+p+q}Zr_ySn_pTi_qGe_z″In_p′V_x′Mn_wAl_w′Fe_{5-x′-y-z″-p-q-w-w′-δ-p′}O₁₂，

其中，0≤x≤1.3，0≤x′≤0.70，0≤y≤0.70，0≤z≤1.0，0≤z′≤1.0，0≤z″≤1.5，0≤p≤0.50，0≤q≤0.50，0≤w≤1.30，0≤p′≤0.50，0≤w′≤0.10，缺铁量δ为0≤δ≤0.50。

在一些实施方式中，0≤δ≤0.30。

本发明的有益效果在于：(1)制备方法采用两次预烧、三次球磨的措施起到了提高固相反应完成程度、线宽显著降低(由428Oe降低至200多Oe)的效果，通过二次预烧起到再一次预先反应的作用并且将二次预烧料经过三次球磨使二次预烧中反应过的颗粒被打碎、露出未反应部分以促使烧结时的固相反应更加完全；(2)在压制成型后增加一道冷等静压工序以提高坯件密度，促进烧结致密化；(3)采用预保温和超长保温等烧结程序措施以促进晶粒生长的均匀性、使Bi³⁺易于进入石榴石晶位、提高固相反应完全的程度、限制富Bi相的产生。

本发明通过改进工艺提高高介电常数材料BiYCaZrIG(Bi含量≤1.2/mol)的固相反应完成程度，促进了Bi³⁺离子进入石榴石十二面体晶位形成近单相固溶体、限制富Bi相的产生，从而减少由富Bi相导致的非磁性另相致宽和固相反应不完全所致同构异质磁另相致宽ΔH_inc、降低材料微波磁损耗。在上述基础上，通过配方改进，进一步选择稀土离子Sm³⁺取代，利用其在同等自旋波线宽增量下所带来的线宽增量较小的特点来改善材料的高功率承受能力，从而获得同时具有较低ΔH和较高自旋波线宽ΔH_k及高介电常数ε′的高磁矩石榴石材料SmBiYCaZrIG，实现了高介电常数、高功率及低损耗特性的圆满折中。

对Bi含量0～1.2/mol的Bi:YCaVIG进行了一系列的的离子代换和工艺研究。通过采用新工艺有效地改善了固相反应完成程度、降低了ΔH和tanδ_ε，开发了包括Bi:YCaZrIG在内的4πM_s约1950G，ε′约25，ΔH≤60Oe，tanδ_ε≤5×10^-4的石榴石材料及高ΔH_k的高功率材料SmBiYCaZrIG，满足了5G基站隔离器的使用要求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实例一

(1)根据化学式：

Y_{3-x-z-z′-y-2x′-z″-p-q}Bi_xSm_zGd_z′Ca_{2x′+y+z″+p+q}Zr_ySn_pTi_qGe_z″In_p′V_x′Mn_wAl_w′Fe_{5-x′-y-z″-p-q-w-w′-δ-p′}O₁₂，

取x＝1.08，y＝0.28，z＝0.005，z′＝0，z″＝0，x′＝0，p＝0，q＝0，w＝0，p′＝0，w′＝0，分别计算出所需原材料的量。使用纯度≥99.9％的Sm₂O₃、Y₂O₃及分析纯的Bi₂O₃、Fe₂O₃、CaCO₃、ZrO₂，称出相应重量的原材料。将Sm₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃等稀土氧化物原材料进行灼烧处理，处理温度为850℃，随炉冷却后待用。

(2)将称出的原材料装入球磨罐中，并按料：球：水＝1：2：1.2的比例加入钢球和去离子水或/和酒精，一次球磨12小时后出料。球磨罐用不锈钢制成，以减少球磨过程中磨损的Fe进入料中。浆料经烘干后过30目筛，装入专用的刚玉坩埚或匣钵中。

(3)将装有粉料的刚玉坩埚或匣钵放入氧化气氛充分的炉中进行预烧，预烧温度为800℃，保温16小时。

(4)将预烧料先进行破碎，过30目筛，然后放入球磨罐中，并按料：球：水＝1：2：1.2的比例加入钢球和去离子水，二次球磨36小时后出料，检测料粉的颗粒度，平均粒径≤1.2μm。

(5)将装有预烧粉料的刚玉坩埚或匣钵放入氧化气氛充分的炉中进行预烧，二次预烧温度同于一次预烧，保温16小时。

(6)将二次预烧料先进行破碎、过30目筛，然后放入球磨罐中，并按料：球：水＝1：2：1.2的比例加入钢球和去离子水，三次球磨36小时后出料，检测料粉的颗粒度，平均粒径≤1.2μm。

(7)将三次球磨的浆料烘干，加入4wt％的胶合剂，混合均匀制成40目颗粒料，再将颗粒料放入成型模具内初步压制成所需的产品坯件，再进行冷等静压成型，成型压力98MPa。

(8)将压制成型的坯件放入氧化气氛的炉内进行烧结，烧结温度为900℃，保温100小时后随炉冷却至室温。

获得的样品经磨加工，制成测量所需的小球和小棒，进行参数测试。测量结果如表1所示。

表1 SmBiYCaZrIG高介电常数高功率石榴石材料的电磁性能参数

实例二

(1)根据化学式

Y_{3-x-z-z′-y-2x′-z″-p-q}Bi_xSm_zGd_z′Ca_{2x′+y+z″+p+q}Zr_ySn_pTi_qGe_z″In_p′V_x′Mn_wAl_w′Fe_{5-x′-y-z″-p-q-w-w′-δ-p′}O₁₂，

取：x＝1.08，y＝0.28，z＝0.020，z′＝0，z″＝0，x′＝0，p＝0，q＝0，w＝0，p′＝0，w′＝0，分别计算出所需原材料的量。使用纯度≥99.9％的Sm₂O₃、Y₂O₃及分析纯的Bi₂O₃、Fe₂O₃、CaCO₃、ZrO₂为原材料，称出相应重量的原材料。将Sm₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃等稀土氧化物原材料进行灼烧处理，处理温度为1000℃，随炉冷却后待用。

(2)将称出的原材料装入球磨罐中，并按料∶球∶水＝1∶3.5∶1的比例加入钢球和去离子水，一次球磨18小时后出料。球磨罐用不锈钢制成，以减少球磨过程中磨损的Fe进入料中。浆料经烘干后过30目筛，装入专用的刚玉坩埚/匣钵中。

(3)将装有粉料的刚玉坩埚/匣钵放入氧化气氛充分的炉中进行预烧，预烧温度为1000℃中优选的温度，保温9小时。

(4)将预烧料先进行破碎、过30目筛，然后放入球磨罐中，并按料∶球∶水＝1∶3.5∶1的比例加入钢球和去离子水，二次球磨36小时后出料。检测料粉的颗粒度，平均粒径≤1.2μm。

(5)将装有预烧粉料的刚玉坩埚/匣钵放入氧化气氛充分的炉中进行预烧，二次预烧温度同于一次预烧，保温9小时。

(6)将二次预烧料先进行破碎、过30目筛，然后放入球磨罐中，并按料∶球∶水＝1∶3.5∶1的比例加入钢球和去离子水，三次球磨36小时后出料。检测料粉的颗粒度，平均粒径≤1.2μm。

(7)将三次球磨的浆料喷雾干燥/机械烘干，加入7wt％的粘结剂，混合均匀制成40目颗粒料，再将颗粒料放入成型模具内压制成所需的产品坯件，成型压强100MPa。

(8)将压制成型的坯件放入氧化气氛的炉内进行烧结，烧结温度为1200℃，长保温65小时后随炉冷却至室温。

获得的样品经磨加工，制成测量所需的小球和小棒，进行参数测试。测量结果如表2所示。

表2 SmBiYCaZrIG高介电常数高功率石榴石材料的电磁性能参数

实例三

(1)根据化学式

Y_{3-x-z-z′-y-2x′-z″-p-q}Bi_xSm_zGd_z′Ca_{2x′+y+z″+p+q}Zr_ySn_pTi_qGe_z″In_p′V_x′Mn_wAl_w′Fe_{5-x′-y-z″-p-q-w-w′-δ-p′}O₁₂，

取：x＝1.06，y＝0.30，z＝0.01，z′＝0，z″＝0，x′＝0，p＝0，q＝0，w＝0，p′＝0，w′＝0，分别计算出所需原材料的量。使用纯度≥99.9％的Sm₂O₃、Y₂O₃及分析纯的Bi₂O₃、Fe₂O₃、CaCO₃、ZrO₂为原材料，称出相应重量的原材料。将Sm₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃等稀土氧化物原材料进行灼烧处理，处理温度为1200℃，随炉冷却后待用。

(2)将称出的原材料装入球磨罐中，并按料∶球∶水＝1∶5∶0.7的比例加入钢球和去离子水，一次球磨24小时后出料。球磨罐用不锈钢制成，以减少球磨过程中磨损的Fe进入料中。浆料经烘干后过30目筛，装入专用的刚玉坩埚/匣钵中。

(3)将装有粉料的刚玉坩埚/匣钵放入氧化气氛充分的炉中进行预烧，预烧温度为1250℃中优选的温度，保温2小时。

(4)将预烧料先进行破碎、过30目筛，然后放入球磨罐中，并按料∶球∶水＝1∶5∶0.7的比例加入钢球和去离子水，二次球磨36小时后出料。检测料粉的颗粒度，平均粒径≤1.2μm。

(5)将装有预烧粉料的刚玉坩埚/匣钵放入氧化气氛充分的炉中进行预烧，二次预烧温度同于一次预烧，保温2小时。将二次预烧料先进行破碎、过30目筛，然后放入球磨罐中，并按料∶球∶水＝1∶5∶0.7的比例加入钢球和去离子水，三次球磨36小时后出料。检测料粉的颗粒度，平均粒径≤1.2μm。

(6)将三次球磨的浆料喷雾干燥/机械烘干，加入10wt％的胶合剂，混合均匀制成40目颗粒料，再将颗粒料放入成型模具内压制成所需的产品坯件，再进行冷等静压成型，成型压力105MPa。

(7)将压制成型的坯件放入氧化气氛的炉内进行烧结，烧结温度为1450℃，长保温30小时后随炉冷却至室温。

获得的样品经磨加工，制成测量所需的小球和小棒，进行参数测试。测量结果如表3所示。

表3 SmBiYCaZrIG高介电常数高功率石榴石材料的电磁性能参数

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高功率高介电常数石榴石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据化学式:

Y_{3-x-z-z′-y-2x′-z″-p-q}Bi_xSm_zGd_z′Ca_{2x′+y+z″+p+q}Zr_ySn_pTi_qGe_z″In_p′V_x′Mn_wAl_w′Fe_{5-x′-y-z″-p-q-w-w′-δ-p′}O₁₂，

其中：0≤x≤1.3，0≤x′≤0.70，0≤y≤0.70，0≤z≤1.0，0≤z′≤1.0，0≤z″≤1.5，0≤p≤0.50，0≤q≤0.50，0≤w≤1.30，0≤p′≤0.50，0≤w′≤0.10，缺铁量δ为0≤δ≤0.50，进行配料，使用Sm₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、Bi₂O₃、Fe₂O₃、CaCO₃、ZrO₂、In₂O₃、SnO₂、TiO₂、GeO₂、V₂O₅、Al(OH)₃、MnCO₃作为原材料；

(2)对所配得的原料进行一次球磨；

(3)干燥后在氧化气氛中一次预烧；

(4)二次球磨；

(5)干燥后在氧化气氛中二次预烧；

(6)三次球磨；

(7)干燥并造粒，再将粒料初步压制成坯件，然后冷等静压；

(8)将成型的坯件放入氧化气氛的炉内进行烧结，烧结温度为900～1450℃，保温时间为30～100小时。

2.根据权利要求1所述的高功率高介电常数石榴石的制备方法，其特征在于，对Sm₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃进行灼烧处理，灼烧温度为850～1200℃。

3.根据权利要求1所述的高功率高介电常数石榴石的制备方法，其特征在于，在每次球磨步骤中，按料∶球∶稀释剂＝1∶(2～5)∶(0.7～1.2)的比例进行球磨，稀释剂为去离子水或/和酒精，其中二次球磨和三次球磨在料粉粒度≤1.2μm时出料。

4.根据权利要求1所述的高功率高介电常数石榴石的制备方法，其特征在于，在两次预烧步骤中，将原材料浆料烘干后过筛，制成块状或粉状装入刚玉坩埚或匣钵中，放入氧化气氛的炉内进行预烧，预烧温度为800～1250℃，保温时间2～16h。

5.根据权利要求1所述的高功率高介电常数石榴石的制备方法，其特征在于，在步骤(7)中，对料浆进行干燥并造粒，造粒时加入胶合剂，胶合剂为含4～10wt％的聚乙稀醇水溶液。

6.根据权利要求1所述的高功率高介电常数石榴石的制备方法，其特征在于，冷等静压的压力≥98MPa。

7.一种高功率高介电常数的石榴石，其特征在于，该石榴石为单相石榴石结构，其组分为：

Y_{3-x-z-z′-y-2x′-z″-p-q}Bi_xSm_zGd_z′Ca_{2x′+y+z″+p+q}Zr_ySn_pTi_qGe_z″In_p′V_x′Mn_wAl_w′Fe_{5-x′-y-z″-p-q-w-w′-δ-p′}O₁₂，

其中，0≤x≤1.3，0≤x′≤0.70，0≤y≤0.70，0≤z≤1.0，0≤z′≤1.0，0≤z″≤1.5，0≤p≤0.50，0≤q≤0.50，0≤w≤1.30，0≤p′≤0.50，0≤w′≤0.10，缺铁量δ为0≤δ≤0.50。

8.根据权利要求7所述的石榴石，其特征在于，0≤δ≤0.30。