CN113956033A - 一种中介高q值微波介质陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中介高Q值微波介质陶瓷，该微波介质陶瓷是由主料和辅料烧结而成，主料的组成表达式为aSrTiO₃‑bLaAlO₃，其中，a、b分别代表摩尔比；其中，0.5≤a≤0.6，0.4≤b≤0.5，a+b＝1，辅料为Y₂O₃或Ga₂O₃，其中Y₂O₃相对于主料的质量分数为0.1％～0.5％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0.5％～2.5％。本发明的微波介质陶瓷具有优异的微波介电性能，在不同的工作温度下都具有较好的工作稳定性，具有广泛的应用前景，且制备原料无毒无害，成本低廉，制备工艺简单易行。

Description

一种中介高Q值微波介质陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子功能陶瓷材料及其制备技术领域，涉及一种中介高Q值微波介质陶瓷的制备方法。

背景技术

微波介质陶瓷材料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材料。微波介质陶瓷作为一种新型电子材料，在现代通信中被用作谐振器、滤波器、介质基片、介质天线、介质导波回路等。

随着5G在全球的快速推广，陶瓷介质滤波器相对于金属谐振腔滤波器具有体积小、损耗低、价格优、质量轻等优势，因此成为5G基站滤波器的主流，但这也对介质滤波器提出了更高的要求。一方面，由于大多数5G网络部署在毫米波频段，必然会带来更大的信号衰减，因此，滤波器需要有更大的功率容量来提高信号强度，这离不开高品质因数的支持。另一方面，由于大规模MIMO在5G中的应用，信道数量的激增导致了更高的设备集成度，这意味着需要进一步增大介电常数以减小设备尺寸。此外，考虑到许多地区的夏季温度往往高于40℃，滤波器应具有更大的工作温度范围。为此需要开发一系列适合于5G基站滤波器的电子材料。中等介电常数、高品质因数且工作稳定性较好的微波介质陶瓷正是解决目前5G基站建设瓶颈的关键材料。

目前，中等介电常数、高品质因数的微波介质陶瓷主要是以Ba₂Ti₉O₂₀、BaTi₄O₉和(Zr,Sn)TiO₄及MTiO₃-LnNO₃(M＝Sr，Ca；Ln＝La，Nd，Sm，N＝Ga，Al)等微波介质材料为主。Ba₂Ti₉O₂₀、BaTi₄O₉和(Zr,Sn)TiO₄研究较早，并且研究的非常系统，但这些陶瓷的介电常数偏低(通常ε_r≤40)，不利于器件的小型化趋势。在MTiO₃-LnNO₃体系中，目前报道的CaTiO₃-LaAlO₃、CaTiO₃-SmAlO₃材料其介电常数在40以上，品质因数在40000GHz左右，仍需进一步提高品质因数以改善滤波器的选频特性；SrTiO₃-LaGaO₃品质因数较高，但介电常数在40以下，不利于器件的小型化，同时Ga₂O₃的成本是Al₂O₃的数倍之多。因此，在MTiO₃-LnNO₃体系中获得一种介电常数在40以上，品质因数较高且易于批量生产的低成本微波介质陶瓷，不仅具有重要的社会效益而且具有显著的经济效益。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种中介高Q值微波介质陶瓷及其制备方法。该陶瓷材料介电常数在40以上，品质因数较高，谐振频率温度系数优异，具有广泛的应用前景，且制备原料无毒、价格低廉、制备工艺简单。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种中介高Q值微波介质陶瓷，是由主料或者主料及辅料烧结而成，主料的组成表达式为aSrTiO₃-bLaAlO₃，其中，a、b分别代表摩尔比；其中，0.5≤a≤0.6，0.4≤b≤0.5，a+b＝1，辅料为Y₂O₃或Ga₂O₃，其中Y₂O₃相对于主料的质量分数为0.1％～0.5％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0.5％～2.5％优选1.5％～2.0％。

本发明还提供了一种中介高Q值微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)获得微波介质陶瓷的主料：按照组成表达式aSrTiO₃-bLaAlO₃的摩尔比对SrTiO₃、LaAlO₃进行分别称量配料，获得主料；其中，在aSrTiO₃-bLaAlO₃中，a、b分别代表摩尔比；其中，0.5≤a≤0.6，0.4≤b≤0.5，a+b＝1；

(2)制备该中介高Q值微波介质陶瓷：相对于主料的质量，按照质量分数分别称取辅料Y₂O₃或Ga₂O₃，将主料和辅料进行混合，然后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成型，最后排胶、烧结得到该中介高Q值微波介质陶瓷；其中，Y₂O₃相对于主料的质量分数为0.1％～0.5％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0.5％～2.5％。

作为本发明制备方法优选的技术方案，步骤(2)种的烧结过程是在1520～1640℃下烧结4～6小时。

作为本发明制备方法优选的技术方案，步骤(2)中所述的造粒是将烘干后的粉体与聚乙烯醇水溶液混合，然后制成微米级的球形颗粒。

作为本发明制备方法优选的技术方案，步骤(2)中，过筛后的混合粉料被压制成直径为12mm，厚度为6mm的圆柱体。

作为本发明制备方法优选的技术方案，步骤(2)中的排胶是在650℃下保温3小时。

作为本发明制备方法优选的技术方案，步骤(2)中的烧结是在空气气氛下进行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用SrTiO₃、LaAlO₃，按照组成表达式aSrTiO₃-bLaAlO₃(a+b＝1)中各物质的摩尔比进行配料，由于单一aSrTiO₃-bLaAlO₃(a+b＝1)陶瓷很难同时满足5G基站滤波器对于高介电常数、高品质因数、近零谐振频率温度系数的综合要求，因此，本发明在进行大量实验的基础上选择了Y₂O₃或Ga₂O₃作为辅料对微波介质陶瓷的微观结构进行调控，获得了晶粒尺寸均匀分布，晶粒间接触异常紧密的微波介质陶瓷块体，极大地降低了陶瓷的非本征损耗，从而在保证介电常数不降低的前提下大大提高陶瓷的品质因数，所获得的微波介质陶瓷其介电常数在40以上，品质因数较高，谐振频率温度系数优异，获得了综合性能更优的微波介质陶瓷，具有广泛的应用前景，且制备原料无毒、价格低廉、制备工艺简单。

附图说明

图1是对比例2烧结后的断面微观形貌图；

图2是实施例3烧结后的断面微观形貌图；

图3是实施例8烧结后的断面微观形貌图。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

对比例1

一种中介高Q值微波介质陶瓷及其制备方法，具体过程如下：

(1)获得主料：

在本对比例1的组成表达式aSrTiO₃-bLaAlO₃中，a＝0.5，b＝0.5，从而按照组成表达式0.5SrTiO₃-0.5LaAlO₃对SrTiO₃和LaAlO₃按照摩尔比进行称量配料，获得主料；

(2)制备该中介高Q值微波介质陶瓷：

在该对比例中，Y₂O₃相对于主料的质量分数为0％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0％；从而在本对比例1中，将步骤(1)的主料进行充分球磨，在经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为12mm、厚度为6mm的圆柱体，经过排胶后在1620℃下烧结6小时，得到该中介高Q值微波介质陶瓷；其中，造粒过程是将烘干后的粉体与聚乙烯醇水溶液液混合，然后制成微米级的球形颗粒；将该对比例1得到的微波介质陶瓷利用网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表1所示。

对比例2

一种中介高Q值微波介质陶瓷及其制备方法，具体过程如下：

(1)获得主料：

在本对比例2的组成表达式aSrTiO₃-bLaAlO₃中，a＝0.55，b＝0.45，从而按照组成表达式0.55SrTiO₃-0.45LaAlO₃对SrTiO₃和LaAlO₃按照摩尔比进行称量配料，获得主料；

(2)制备该中介高Q值微波介质陶瓷：

在该对比例中，Y₂O₃相对于主料的质量分数为0％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0％；从而在本对比例2中，将步骤(1)的主料进行充分球磨，在经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为12mm、厚度为6mm的圆柱体，经过排胶后在1600℃下烧结6小时，得到该中介高Q值微波介质陶瓷；其中，造粒过程是将烘干后的粉体与聚乙烯醇水溶液液混合，然后制成微米级的球形颗粒；将该对比例2得到的微波介质陶瓷利用网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表1所示。

对比例3

一种中介高Q值微波介质陶瓷及其制备方法，具体过程如下：

(1)获得主料：

在本对比例3的组成表达式aSrTiO₃-bLaAlO₃中，a＝0.6，b＝0.4，从而按照组成表达式0.6SrTiO₃-0.4LaAlO₃对SrTiO₃和LaAlO₃按照摩尔比进行称量配料，获得主料；

(2)制备该中介高Q值微波介质陶瓷：

在该对比例中，Y₂O₃相对于主料的质量分数为0％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0％；从而在本对比例3中，将步骤(1)的主料进行充分球磨，在经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为12mm、厚度为6mm的圆柱体，经过排胶后在1560℃下烧结6小时，得到该中介高Q值微波介质陶瓷；其中，造粒过程是将烘干后的粉体与聚乙烯醇水溶液液混合，然后制成微米级的球形颗粒；将该对比例3得到的微波介质陶瓷利用网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表1所示。

实施例1

一种中介高Q值微波介质陶瓷及其制备方法，具体过程如下：

(1)获得主料：

在本实施例1的组成表达式aSrTiO₃-bLaAlO₃中，a＝0.55，b＝0.45，从而按照组成表达式0.55SrTiO₃-0.45LaAlO₃对SrTiO₃和LaAlO₃按照摩尔比进行称量配料，获得主料；

(2)制备该中介高Q值微波介质陶瓷：

在该实施例中，Y₂O₃相对于主料的质量分数为0.1％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0％；从而在本实施例1中，将步骤(1)的主料进行充分球磨，在经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为12mm、厚度为6mm的圆柱体，经过排胶后在1600℃下烧结6小时，得到该中介高Q值微波介质陶瓷；其中，造粒过程是将烘干后的粉体与聚乙烯醇水溶液液混合，然后制成微米级的球形颗粒；将该实施例1得到的微波介质陶瓷利用网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表1所示。

实施例2～实施例5

实施例2～实施例5的制备过程与实施例1类似，不同的是Y₂O₃的质量分数；Y₂O₃的质量分数的具体取值以及得到的微波介质陶瓷的性能测试结果如表1所示。

实施例6

一种中介高Q值微波介质陶瓷及其制备方法，具体过程如下：

(1)获得主料：

在本实施例6的组成表达式aSrTiO₃-bLaAlO₃中，a＝0.55，b＝0.45，从而按照组成表达式0.55SrTiO₃-0.45LaAlO₃对SrTiO₃和LaAlO₃按照摩尔比进行称量配料，获得主料；

(2)制备该中介高Q值微波介质陶瓷：

在该实施例中，Y₂O₃相对于主料的质量分数为0％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0.5％；从而在本实施例6中，将步骤(1)的主料进行充分球磨，在经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为12mm、厚度为6mm的圆柱体，经过排胶后在1600℃下烧结6小时，得到该中介高Q值微波介质陶瓷；其中，造粒过程是将烘干后的粉体与聚乙烯醇水溶液液混合，然后制成微米级的球形颗粒；将该实施例6得到的微波介质陶瓷利用网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表1所示。

实施例7～实施例10

实施例7～实施例10的制备过程与实施例1类似，不同的是Ga₂O₃的质量分数；Ga₂O₃的质量分数的具体取值以及得到的微波介质陶瓷的性能测试结果如表1所示。

对比图1-3可知，与对比例相比，实施例加入辅料Y₂O₃或Ga₂O₃后，获得了晶粒尺寸均匀分布，晶粒间接触异常紧密的微波介质陶瓷块体，降低了陶瓷的非本征损耗，从而大大提高了陶瓷的品质因数。

表1对比例和实施例所得的微波介质陶瓷的性能测试结果

从表1可以看出，实施例中，加入辅料Y₂O₃的陶瓷综合介电性能较优，介电常数均保持在40以上，品质因数在43000GHz～59000GHz范围内，谐振频率温度系数小于10ppm/℃，符合5G基站滤波器的应用要求；加入辅料Ga₂O₃的陶瓷综合介电性能更优，介电常数均保持在40以上，同时品质因数在48000GHz～64000GHz范围内，谐振频率温度系数较佳。与对比例相比，实施例的综合介电性能整体更优，尤其是实施例1-5、8-9均符合5G基站滤波器的性能要求。同时，对实施例1至10的结果进行比较可知，实施例8的介电常数保持在40以上，同时其品质因数最高(达到64692GHz)，谐振频率温度系数小于10ppm/℃，能充分保证5G基站滤波器选频的可靠性及工作的稳定性，具有广泛的应用前景。

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内容所作的等效结构或等效流程替换，或直接或间接运用在其他相关领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种中介高Q值微波介质陶瓷，其特征在于：该微波介质陶瓷是由主料及辅料烧结而成，主料的组成表达式为aSrTiO₃-bLaAlO₃，其中，a、b分别代表摩尔比；其中，0.5≤a≤0.6，0.4≤b≤0.5，a+b＝1，辅料为Y₂O₃或Ga₂O₃，其中Y₂O₃相对于主料的质量分数为0.1％～0.5％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0.5％～2.5％。

2.一种中介高Q值微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备微波介质陶瓷的主料：按照组成表达式aSrTiO₃-bLaAlO₃中SrTiO₃、LaAlO₃的摩尔比分别进行称量配料，其中，在aSrTiO₃-bLaAlO₃中，a、b分别代表摩尔比，0.5≤a≤0.6，0.4≤b≤0.5，a+b＝1；

(2)制备该中介高Q值微波介质陶瓷：相对于主料的质量，按照质量分数称取辅料Y₂O₃或辅料Ga₂O₃；将主料和辅料进行混合，然后进行充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将筛后的混合粉料压制成型，最后排胶、烧结得到该中介高Q值微波介质陶瓷；其中，Y₂O₃相对于主料的质量分数为0.1％～0.5％，Ga₂O₃相对于主料的质量分数为0.5％～2.5％。

3.根据权利要求2所述的一种中介高Q值微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的烧结过程是在1520～1640℃下烧结4～6小时。

4.根据权利要求2所述的一种中介高Q值微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的造粒是将烘干后的粉体与聚乙烯醇水溶液混合，然后制成微米级的球形颗粒。

5.根据权利要求2所述的一种中介高Q值微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，过筛后的混合粉料被压制成圆柱体。

6.根据权利要求2所述的一种中介高Q值微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的排胶是在600～700℃下保温2～4小时。

7.根据权利要求2所述的一种中介高Q值微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的烧结是在空气气氛下进行。

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