CN115650713A - 一种5g通信用微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种5G通信用微波介质陶瓷材料及其制备方法，涉及无线移动通讯与射频电子电路系统用电子陶瓷元器件与材料技术领域。本发明提供的微波介质陶瓷材料的配方表达式为：Mg_1‑xCu_xSiO₃，其中0＜x≤0.25。其介电常数为3.3～6.4，介电损耗为0.0001～0.003@10GHz，谐振频率温度系数为‑55～‑33ppm/℃，可应用于5G通信领域。其制备方法主要包括：配料、一次球磨、预烧、二次球磨、烘干、造粒、成型、排胶和烧结。本发明通过形成固溶体的方法，改善了MgSiO₃微波介质陶瓷烧结易开裂、粉化的现象，拓宽了致密化烧结温度区间，具有重要的工业应用价值。

Description

一种5G通信用微波介质陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于微波介质陶瓷技术领域，具体涉及一种5G通信用微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

微波介质陶瓷(MWDC)是与微波通讯紧密相关的新型功能介质材料，被广泛应用于基站通信、卫星定位、物联网等领域。近年来，5G通信快速发展，鉴于5G通信频率高、延迟低、速度快等特点，这就要求微波介质陶瓷具有较低的介电常数和介电损耗。

目前常用的低介电常数微波介质陶瓷材料有石榴石(Mg₃Y₂Ge₃O₁₂)、镁橄榄石(Mg₂SiO₄)、顽辉石(MgSiO₃)、堇青石(Mg₂Al₄Si₅O₁₈)等。其中，MgSiO₃具有较低的介电常数和介电损耗，它的原料来源十分广泛并且成本低廉，无毒无害，对环境友好，适用于工业大批量生产，以上优点使其具有良好的应用前景。但是MgSiO₃陶瓷的制备存在困难，陶瓷烧结及使用过程中容易出现粉化、开裂等老化现象，且烧结温度区间窄，难以控制最佳烧结条件，这将严重影响陶瓷的微波介电性能，从而大大限制其实际应用。以上问题是由于MgSiO₃具有4种不同的晶体结构，分别为正交原顽火辉石(proto-enstatite，Pbcn)、正交顽火辉石(enstatite，Pbca)、低温单斜顽火辉石(low-clino-enstatite，P21/c)和高温单斜顽火辉石(high-clino-enstatite，C2/c)，不同晶型之间发生的相转变会产生体积变化以及内应力。现有研究表明通过引入足够的玻璃相能够抑制这种转变，然而玻璃相的引入会导致其微波介电性能的恶化。因此限制MgSiO₃陶瓷实际应用的上述问题还没有得到很好解决。

发明内容

为解决现有技术中MgSiO₃微波介质陶瓷烧结易粉化、开裂以及烧结温度区间窄的问题，本发明着眼于通过形成固溶体的方法，尝试用适量的其他离子取代镁离子，改善其烧结特性，最终找到一种可应用于5G通信领域的微波介质陶瓷材料及其制备方法。

本发明的5G通信用微波介质陶瓷材料，它的配方表达式为Mg_1-xCu_xSiO₃，其中0＜x≤0.25。

本发明的5G通信用微波介质陶瓷材料可以用下述制备方法获得，具体包括以下步骤：

(1)以MgO、CuO和SiO₂为原料，将所述原料按照配方表达式比例用湿法球磨混合均匀；

(2)将球磨后的原料进行烘干、研磨、过筛和预烧，并对预烧后的粉末进行二次球磨；

(3)将二次球磨后烘干的粉料进行造粒、过筛、压片，最后进行烧结，得到所述微波介质陶瓷。

优选地，所述步骤(1)中，所述MgO、CuO和SiO₂的预设纯度均大于99.9％，MgO需在称量之前进行900℃煅烧2小时的预处理。

优选地，所述步骤(1)中，湿法球磨介质为无水乙醇，球磨珠材料为ZrO₂，球磨时间为24小时。

优选地，所述步骤(2)中，所述烘干温度为80℃，烘干时间为24小时，所述过筛使用的是120目的标准筛，所述预烧的温度为1200～1300℃，预烧时间为5小时，升温速率为每分钟5℃，在预烧温度保温完之后随炉降温。

优选地，所述步骤(3)中，所述造粒使用浓度为10wt％的PVA水溶液作为粘合剂，所述过筛使用的是40目的标准筛，所述压片采用直径为12mm的钢制模具，所述烧结的温度为1150℃～1350℃，烧结时间为5小时，升温速率为每分钟5℃，降温速率为每分钟2℃，降至800℃后随炉降温。

将本发明得到的5G通信用微波介质陶瓷材料应用于制备5G通信元件，所述5G通信元件包括：微波基板、谐振器、滤波器。

本发明的有益效果在于：

本发明通过形成固溶体的方法，改善了MgSiO₃微波介质陶瓷烧结易开裂、粉化的现象；使得MgSiO₃微波介质陶瓷的致密化变得容易，烧结温度区间变宽；获得了低介电常数(3.3～6.4)与低介电损耗为(0.0001～0.003@10GHz)，且谐振频率温度系数为-55～-33ppm/℃，可应用于5G通信领域，以上特点使得本发明具有重要的工业应用价值。

本发明得到的产品可应用于作为微波基板、谐振器、滤波器等元件的关键材料，以降低上述元件在制备过程中成本，并能减少能源消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为对比例1和实施例1～5在烧结后出现粉化、开裂样品数量随成分变化的曲线图；

图2为对比例1和实施例1～5的相对密度随烧结温度变化的曲线图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

下面通过实施例和对比例进一步说明本发明。

实施例1：

Mg_0.95Cu_0.05SiO₃微波介质陶瓷及其制备方法，制备过程包括以下步骤：

(1)称量配料：将经过煅烧与烘干预处理的MgO、CuO、SiO₂原料(纯度均大于99.9％)，按化学式Mg_0.95Cu_0.05SiO₃称量配料。

(2)一次球磨：将称量好的原料转移入球磨罐中，以无水乙醇作为液态介质和二氧化锆作为研磨介质，在球磨机中球磨24小时。

(3)预烧：将球磨完的浆料在80℃烘干24小时，烘干后的粉料研磨过120目标准筛，以每分钟5℃的升温速率在1300℃预烧5小时，随炉降温。

(4)二次球磨：将预烧后的粉料进行二次球磨，具体过程同一次球磨。

(5)烘干、造粒和成型：将二次球磨后的浆料在80℃烘干24小时，以10wt％的PVA溶液作为粘合剂，充分混合均匀后过40目标准筛，随后将造粒好的粉料倒入钢制模具中，在80MPa～100MPa的压力下制成直径12mm，高度5mm左右的生坯。

(6)排胶和烧结：将生坯在600℃排胶2小时，以每分钟5℃的升温速率分别升温至1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃和1350℃烧结5小时，每个烧结温度烧结2个样品，随后以每分钟2℃的降温速率降至800℃，其后随炉冷却至室温得到微波介质陶瓷样品。

本实施例介电常数为3.4～6.1，介电损耗为0.0001～0.003@10GHz，谐振频率温度系数为-48～-38ppm/℃。

实施例2：

Mg_0.9Cu_0.1SiO₃微波介质陶瓷及其制备方法，制备过程包括以下步骤：

步骤(2)、(4)、(5)和(6)与实施例1相同，区别在于本实施例中，步骤(1)中的原料的配比按照化学式Mg_0.9Cu_0.1SiO₃进行称量；步骤(3)中的预烧温度为1275℃。

本实施例介电常数为3.5～6.2，介电损耗为0.0003～0.003@10GHz，谐振频率温度系数为-45～-33ppm/℃。

实施例3：

Mg_0.85Cu_0.15SiO₃微波介质陶瓷及其制备方法，制备过程包括以下步骤：

步骤(2)、(4)、(5)和(6)与实施例1相同，区别在于本实施例中，步骤(1)中的原料的配比按照化学式Mg_0.85Cu_0.15SiO₃进行称量；步骤(3)中的预烧温度为1250℃。

本实施例介电常数为3.5～6.3，介电损耗为0.0004～0.003@10GHz，谐振频率温度系数为-55～-44ppm/℃。

实施例4：

Mg_0.8Cu_0.2SiO₃微波介质陶瓷及其制备方法，制备过程包括以下步骤：

步骤(2)、(4)、(5)和(6)与实施例1相同，区别在于本实施例中，步骤(1)中的原料的配比按照化学式Mg_0.8Cu_0.2SiO₃进行称量；步骤(3)中的预烧温度为1225℃。

本实施例介电常数为3.7～6.4，介电损耗为0.0005～0.003@10GHz，谐振频率温度系数为-53～-42ppm/℃。

实施例5：

Mg_0.75Cu_0.25SiO₃微波介质陶瓷及其制备方法，制备过程包括以下步骤：

步骤(2)、(4)、(5)和(6)与实施例1相同，区别在于本实施例中，步骤(1)中的原料的配比按照化学式Mg_0.75Cu_0.25SiO₃进行称量；步骤(3)中的预烧温度为1200℃。

本实施例介电常数为4.3～6.4，介电损耗为0.001～0.003@10GHz，谐振频率温度系数为-49～-37ppm/℃。

对比例1

MgSiO₃微波介质陶瓷及其制备方法，制备过程包括以下步骤：

(1)称量配料：将经过煅烧与烘干预处理的MgO、SiO₂原料(纯度均大于99.9％)，按化学式MgSiO₃称量配料。

(2)一次球磨：将称量好的原料转移入球磨罐中，以无水乙醇作为液态介质和二氧化锆作为研磨介质，在球磨机中球磨24小时。

(3)预烧：将球磨完的浆料在80℃烘干24小时，烘干后的粉料研磨过120目标准筛，以每分钟5℃的升温速率在1300℃预烧5小时，随炉降温。

(4)二次球磨：将预烧后的粉料进行二次球磨，具体过程同一次球磨。

(5)烘干、造粒和成型：将二次球磨后的浆料在80℃烘干24小时，以10wt％的PVA溶液作为粘合剂，充分混合均匀后过40目标准筛，随后将造粒好的粉料倒入钢制模具中，在80MPa～100MPa的压力下制成直径12mm，高度5mm左右的生坯。

(6)排胶和烧结：将生坯在600℃排胶2小时，以每分钟5℃的升温速率分别升温至1300℃、1350℃、1375℃、1400℃、1425℃和1450℃烧结5小时，每个烧结温度烧结2个样品，随后以每分钟2℃的降温速率降至800℃，其后随炉冷却至室温得到微波介质陶瓷样品。

本对比例介电常数为3.3～6.2，介电损耗为0.0002～0.003@10GHz，谐振频率温度系数为-52～-42ppm/℃。

附图1示出了对比例1和实施例1～5中，所制备的陶瓷样品在烧结完成一段时间后的粉化、开裂现象。每个对比例和实施例的样品总数为12。在对比例1的12个样品中，有5个样品出现了粉化、开裂现象，而在实施例1和实施例2中，粉化、开裂的数量分别降低至1和2。进一步地，在实施例3～5中，没有出现粉化、开裂的现象。这说明通过部分Cu离子取代Mg离子形成固溶体，可以有效抑制粉化、开裂现象发生。

附图2示出了对比例1和实施例1～5的相对密度随烧结温度的变化规律。可以发现，MgSiO₃的致密化烧结温度区间狭窄，只有在1400℃附近才获得相对密度90％以上的陶瓷样品。而随着Cu离子的引入形成固溶体，相对密度90％以上陶瓷样品的烧结温度区间增加到大约200℃范围。致密化烧结温度区间的拓宽有利于陶瓷样品烧结过程的控制，提高陶瓷样品的烧结质量，有利于工业生产中的良品率提升，具有十分重要的实际意义。

本发明得到的微波介质陶瓷材料可用作微波基板、谐振器、滤波器等元件的关键材料，应用于5G通信领域，以降低上述元件在制备过程中成本，并能减少能源消耗。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种5G通信用微波介质陶瓷材料，其特征在于，其化学式为Mg_1-xCu_xSiO₃，其中0＜x≤0.25。

2.根据权利要求1所述的5G通信用微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述5G通信用微波介质陶瓷材料的介电常数为3.3～6.4，介电损耗为0.0001～0.003@10GHz，谐振频率温度系数为-55～-33ppm/℃。

3.如权利要求1所述的5G通信用微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)以Mg_1-xCu_xSiO₃为目标物，其中0＜x≤0.25，以MgO、CuO和SiO₂为原料，所述原料的纯度均大于99.9％，按照目标物化学式中Mg、Cu、Si元素组成的摩尔比称量所述原料，将称量得到的原料混合后依次进行球磨、烘干、研磨、过筛和预烧，将预烧后的粉料进行二次球磨并烘干，得到粉料；

步骤(2)对步骤(1)中得到的所述粉料进行造粒、过筛、成型，得到生坯；

步骤(3)将步骤(2)中的生坯在1100℃～1350℃进行烧结，得到微波介质陶瓷。

4.如权利要求3所述的5G通信用微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，

所述步骤(3)中，所述烧结工艺包括如下步骤：

以每分钟5℃的升温速率升温到1100℃～1350℃，保温5小时；保温结束后，以每分钟2℃的降温速率降至800℃，其后随炉冷却至室温。

5.如权利要求3所述的5G通信用微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，

所述步骤(1)中，所述预烧工艺包括如下步骤：以每分钟5℃的升温速率在1200℃～1300℃预烧5小时。

6.如权利要求3所述的5G通信用微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，

所述步骤(1)中，对所述MgO在所述称量之前进行900℃煅烧2小时的预处理。

7.如权利要求3所述的5G通信用微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，

所述步骤(2)中，所述烘干温度为80℃，烘干时间为24小时，所述过筛使用的是120目的标准筛。

8.如权利要求7所述的5G通信用微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，

所述步骤(2)中，所述造粒的具体工艺包括：使用浓度为10wt％的PVA水溶液作为粘合剂粘结所述粉料，所述过筛使用的是40目的标准筛，所述成型是通过采用直径为12mm的圆柱形钢制模具进行压模成型。

9.将根据权利要求1或2所述的5G通信用微波介质陶瓷材料应用于制备5G通信元件，其特征在于，所述5G通信元件包括：微波基板、谐振器、滤波器。

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