CN1169748C - 高介电常数陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一类用于微波元器件及陶瓷电容器或温度补偿电容器的高介电常数陶瓷，该陶瓷以Ba6-x(LasNdtSmuBiy)xTi1+xNb4-xO18为主相，其中0.00≤x≤3，s+t+u+y＝1，采用相应的方法制备，本陶瓷烧结良好，高频介电常数达到50～110，损耗低，谐振频率温度系数小，在工业上有着极大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及介电陶瓷材料，特别是涉及在微波频率使用的介质谐振器、滤波器等微波元器件，以及陶瓷电容器或温度补偿电容器的介电陶瓷材料及其制备方法，。
背景技术
微波介电陶瓷是指应用于微波频段(主要是UHF、SHF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用作谐振器、滤波器、介质基片、介质导波回路等元器件，是现代通信技术的关键基础材料，已在便携式移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接受器、军事雷达等方面有着十分重要的应用，在现代通讯工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。
由于微波介质谐振器的尺寸与所用材料的介电常数εr的平方根成反比，εr越大越有利于器件的小型化。在追求高介电常数εr的同时，还要保证材料品质因数Q值高或介质损耗tanδ小和较高热稳定性(谐振频率的温度系数τf尽可能接近零)[1-3]。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。
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3类。
(1)低εr和高Q值的微波介电陶瓷，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＝25～30，Q＝(1～3)×104(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。
(2)中等εr和Q值的微波介电陶瓷，主要是以BaTi4O9，Ba2Ti9O20和(Zr、Sn)TiO4等为基的MWDC材料，其εr≈40，Q＝(6～9)×103(在f＝3～4GHz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。
(3)高εr而Q值较低的微波介电陶瓷，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，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。但是，一般说来介电常数大的材料其介电损耗与温度系数也较大，不能满足移动通讯等微波通讯系统的的进一步小型化与应用频率高频化的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一类具有低损耗与良好的热稳定性，同时具有高频介电常数达到50～110的高介电常数陶瓷及其制备方法。
本发明的高介电常数陶瓷由氧化物形式的Ba、La、Nd、Sm、Bi、Ti与Nb组成，并以下述组成的相为主相，
Ba6-x(LasNdtSmuBiy)xTi1+xNb4-xO18
式中，0.00≤x≤3
s+t+u+y＝1
本高介电常数陶瓷按下述方法制备而成。
首先，将纯度为99.9％以上的BaO、La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Bi2O3、TiO2与Nb2O5的原始粉末按上述的组成范围内配料，湿式球磨混合12～24小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在1280～1450℃大气气氛中预烧2～5小时，然后在预烧粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1320～1420℃大气气氛中烧结3～4小时。
本高介电常数陶瓷有主相和副相的制备方法是：主相先按上述方法制成预烧主相粉末，同时用副相组成中所含元素的纯度99.9％以上的氧化物原始粉末，按设定的比例配料，湿式球磨混合12～24小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在1280～1450℃大气气氛中预烧3小时，合成副相粉末，然后将主相成份粉末与副相成份粉末按设定的重量百分比湿式球磨混合12～24小时，溶剂为蒸馏水，烘干后添加粘结剂并造粒，再压制成型，最后在1320～1420℃大气气氛中烧结3～4小时。
所述的粘结剂可采用浓度为5％的聚乙烯醇溶液，剂量一般为占粉末总重量的5％～15％。
附图说明
图1是组成为Ba5NdTi2Nb3O18的X射线衍射图谱
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明的高介电常数陶瓷组成及性能
表1示出了构成本发明的各成分含量的几个具体实例及其微波介电性能。其制备方法如上所述，性能测试是用粉末X射线衍射法对烧结后的陶瓷试样进行物相分析，图1为实施例3的X射线衍射图谱，而用圆柱介质谐振器法进行微波介电性能的评价。
从表1可知，本发明提供的高介电常数陶瓷，其介电常数为50～110，且同时具有低损耗与较小的谐振频率温度系数。利用本发明提供的高介电常数陶瓷可使微波器件进一步小型化，而且也可应用于高频陶瓷电容器或温度补偿电容器等。因此，本发明在工业上有着极大的价值。
具有与Nd，Sm，La，Bi相似结构与化学性质的元素如Y，Ce，Pr，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Tm，Yb，Lu等，与Ba相似结构与化学性质的元素如Sr，Ca，Pb等，与Nb相似结构与化学性质的元素如Ta等，以及与Ti相似结构与化学性质的元素如Sn，Zr也可以做出与本发明类似晶体结构与性能的介电陶瓷。
[表1]
| x | s | t | u | y | 分子式 | εr | Qf(GHz) | τf(ppm/℃) |
| 0 | - | - | - | - | Ba6TiNb4O18 | 57 | 15000 | 20 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | Ba5LaTi2Nb3O18 | 85 | 12000 | 60 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | Ba5NdTi2Nb3O18 | 78 | 14000 | 30 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | Ba5SmTi2Nb3O18 | 70 | 20000 | 40 |
| 2 | 1 | 0 | 0 | 0 | Ba4La2Ti3Nb2O18 | 100 | 14000 | 50 |
| 2 | 0.9 | 0 | 0 | 0.1 | Ba4La1.8Bi0.2Ti3Nb2O18 | 110 | 18000 | 30 |
| 2 | 0.05 | 0.5 | 0.3 | 0.15 | Ba4La0.1NdSm0.6Bi0.3Ti3Nb2O18 | 90 | 10000 | 12 |
| 3 | 1 | 0 | 0 | 0 | Ba3La3Ti4NbO18 | 85 | 8000 | 105 |
| 3 | 0.4 | 0.5 | 0 | 0.1 | Ba3La1.2Nd1.5Bi0.3Ti4Nb2O18 | 81 | 14000 | -6 |
Claims (2)
1、一类高介电常数陶瓷，其特征是由氧化物形式的Ba、La、Nd、Sm、Bi、Ti、Nb组成，并以下述组成的相为主相
Ba6-x(LasNdtSmuBiy)xTi1+xNb4-xO18
式中，0.00≤x≤3
s+t+u+y＝1
2、权利要求1所述的高介电常数陶瓷的制备方法，其特征是：首先，将纯度为99.9％以上的BaO、La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Bi2O3、TiO2与Nb2O5的原始粉末按权利要求1所述的组成范围内配料，湿式球磨混合12～24小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在1280～1450℃大气气氛中预烧2～5小时，然后在预烧粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1320～1420℃大气气氛中烧结3～4小时，所述的粘结剂采用浓度为5％的聚乙烯醇溶液，粘结剂量占粉末总重量的5％～15％。
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