RU2581860C1 - Керамический материал с низкой диэлектрической проницаемостью - Google Patents

Керамический материал с низкой диэлектрической проницаемостью Download PDF

Info

Publication number
RU2581860C1
RU2581860C1 RU2015109374/03A RU2015109374A RU2581860C1 RU 2581860 C1 RU2581860 C1 RU 2581860C1 RU 2015109374/03 A RU2015109374/03 A RU 2015109374/03A RU 2015109374 A RU2015109374 A RU 2015109374A RU 2581860 C1 RU2581860 C1 RU 2581860C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ceramic material
dielectric
low permittivity
dielectric constant
ceramic
Prior art date
Application number
RU2015109374/03A
Other languages
English (en)
Inventor
Валентина Ивановна Иванова
Анастасия Андреевна Потешкина
Юлия Александровна Уваренкова
Александр Дмитриевич Смирнов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Феррит-Домен"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Феррит-Домен" filed Critical Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Феррит-Домен"
Priority to RU2015109374/03A priority Critical patent/RU2581860C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2581860C1 publication Critical patent/RU2581860C1/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/14Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silica
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3217Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3418Silicon oxide, silicic acids or oxide forming salts thereof, e.g. silica sol, fused silica, silica fume, cristobalite, quartz or flint
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/16Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к радиоэлектронной технике. Технический результат изобретения заключается в получении плотного керамического материала с низкой диэлектрической проницаемостью ε′=4,2±0,2, сравнимой с органическими диэлектриками, с малыми диэлектрическими потерями tgδε≤7·10-4 и влагопоглощением менее 0,1%. Керамический материал с низкой диэлектрической проницаемостью содержит, вес. %: MgO 13,8-6,40; Al2O3 32,0-35,6; ZnO 0,2-13,5; SiO2 - остальное. 2 табл.

Description

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и касается создания керамических материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, предназначенных для использования в высокочастотном и сверхвысокочастотном диапазонах. Высокодобротные керамические материалы с диэлектрической проницаемостью от 5 до 140 обычно используются совместно с ферритовыми компонентами в вентилях, циркуляторах и фазовращателях, а также в качестве подложек для гибридных интегральных микросхем.
Основными характеристиками керамических материалов являются:
- заданная величина действительной составляющей комплексной диэлектрической относительной проницаемости на функциональной частоте - ε′;
- тангенс угла диэлектрических потерь - tgδε;
- плотность материала, г/см3 - ρ;
- влагопоглощение, % - W.
Для высокочастотных микроволновых применений керамический материал должен обладать малыми диэлектрическими потерями (tgδε≤7·10-4), плотностью, близкой к теоретической, и минимальным влагопоглощением (<0,1%)
В настоящее время не выявлено плотных керамических материалов с диэлектрической проницаемостью ниже чем ε′=4,7.
При необходимости использовать диэлектрик с меньшим значением ε′, применяют плавленый кварц с ε′=3,9±1. Однако из-за трудностей, возникающих при механической обработке изделий из кварца с высокой точностью, предпочтение отдают керамическим материалам.
В случае потребности материала с ε′=4 можно также использовать твердые органические диэлектрики, но по сравнению с керамическими диэлектриками, их диэлектрические потери гораздо выше, а температура размягчения очень низкая (~200°C). Эти факторы ограничивают их применение в СВЧ приборах.
Известны отечественные аналоги керамических материалов с наименьшей из известной диэлектрической проницаемости. Так в каталоге ОАО «НИИ «Феррит-Домен»» «Приборы. Изделия. Материалы» имеется материал 5К, а в ОСТ4ГО.023.600 органический диэлектрик СТ-4. Параметры этих материалов приведены в Таблице 1.
Figure 00000001
Среди зарубежных аналогов известен патент США №6094106, в котором предлагается диэлектрический фарфор с ε′=4,7-8,0, созданный на базе сложного оксида, содержащего Mg, Al, Si. Его состав по x, y, z меняется в значительных пределах:
xMgO·yAl2O3·zSiO2,
где 10≤x≤40; 10≤y≤40; 20≤z≤80.
Однако у этого материала большие диэлектрические потери tgδε=(0,8÷1)·10-3, которые объясняются тем, что кроме основной фазы кордиерита материал содержит набор сопутствующих фаз, таких как, форстерит, шпинель, энстантин, муллит. Для расширения технологических возможностей получения материала за счет увеличения температурного диапазона спекания керамики предлагается использовать оксиды элементов группы III периодической системы элементов Менделеева, т.е. Sc, Y, и все лантаноиды, особенно рекомендован Yb2O3 в количестве от 0,1 до 10% сверх весового состава. Однако даже в этом случае отсутствуют материалы с диэлектрической проницаемостью ниже 4,7 и малыми диэлектрическими потерями.
В патенте США №6440883 предложен основной состав керамики такой же, как в патенте №6094106, но материал дополнительно содержит окислы щелочных металлов, таких как K2O, в количестве не более 0,1% от общей массы керамики. Присутствие окислов щелочных металлов, образуя стеклофазу, способствуют снижению температуры спекания до 1450°C. Положительным результатом помимо снижения температуры спекания является также уменьшение диэлектрических потерь на отдельных составах. Среди примеров различного состава приводится также керамический материал с диэлектрическими свойствами: ε′=4,8 и tgδε=4·10-4, по своим свойствам соответствующий отечественному керамическому материалу 5К, разработанному ранее.
В патенте США №6684764 предложен диэлектрический фарфор, основной химический состав которого аналогичен составу материала патентов №6094106, №6440883, а кроме того, содержится редкоземельные элементы Tb, Dy, Ho, Er, Yb, и Lu и оксиды щелочноземельных металлов.
Сложный оксид xMgO·yAl2O3·zSiO2, в пределах значений x, y, z, указанных для патента №6094106, можно выразить в весовом процентном соотношении:
MgO=6,47-13,77;
Al2O3=16,38-59,0;5
SiO2=77,15-17,62.
Предложенный материал на основании рассмотренных примеров имеет следующие диэлектрические параметры:
Figure 00000002
где Q - добротность.
Среди рассмотренных зарубежных аналогов керамического материала с диэлектрической проницаемостью менее 4,7 получено не было.
Материал по патенту США №6864764 является наиболее близким аналогом заявленного изобретения по совокупности существенных признаков и достигаемому результату и взят за прототип.
Целью изобретения является получение плотного керамического материала с низкой диэлектрической проницаемостью, сравнимой с органическими диэлектриками, но с малыми диэлектрическими потерями tgδε≤7·10-4 и низким влагопоглощением (W<0,1%) для высокочастотного применения.
Для этого предлагается керамический материал, который содержит в качестве базового состава оксиды магния, алюминия и кремния, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид цинка, при следующем соотношении компонентов, вес. %:
Оксид магния (MgO) - 13,8-6,40;
Оксид алюминия (Al2O3) - 32,0-35,6;
Оксид цинка (ZnO) - 0,2-13,5;
Оксид кремния (SiO2) - остальное.
Предлагаемый керамический материал получают по следующей технологии.
Исходные компоненты, взятые в необходимых соотношениях, перемешиваются в дистиллированной воде в шаровой мельнице в течение 20-24 часов при соотношении масса : шары : вода (м:ш:в), равном 1:2:2,5. В качестве мелющих тел используются алундовые цилиндры диаметром и высотой 12 мм. Высушенную смесь протирают через капроновые сита и синтезируют при температуре 1280-1300°C в течение 4-6 часов на воздухе. После чего шихта подвергается мокрому помолу по режиму, описанному выше.
Пресс-порошок готовится путем введения 1/5 части от веса шихты 1,5% раствора метилцеллюлозы. Спрессованные при удельном давлении 1 т/см2 образцы спекаются на воздухе при температуре 1320-1380°C в течение 2-4 часовой выдержки.
На спеченных образцах измерялись следующие параметры: плотность, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и влагопоглощение.
Плотность ρ определялась методом гидростатического взвешивания. Действительная составляющая комплексной диэлектрической относительной проницаемости (ε′) и тангенс угла диэлектрических потерь (tgδε) измерялись резонансным методом на частоте 6,5 ГГц на шлифованных дисках толщиной 2÷3 мм, полученных в результате спекания образцов. Влагопоглощение W рассчитывают по формуле:
Figure 00000003
где q0 - первоначальный вес, q1 - вес после 24 ч погружения в дистиллированную воду.
Примеры полученной керамики, их химический состав и электрофизические свойства приведены в таблице 2.
Figure 00000004
Figure 00000005
В примерах №1, 2, 3, 4, 5 даны химические составы в пределах заявленных процентных соотношений и соответствующие им электрофизические свойства, полученные в результате испытаний по стандартным методикам.
Пример №6. Увеличение содержания MgO и уменьшение ZnO, по сравнению с заявленными пределами, приводит к росту диэлектрической проницаемости.
Пример №7. Уменьшение содержание MgO и увеличение ZnO, по сравнению с заявленным пределами, приводит к увеличению диэлектрических потерь.
Пример №8. Увеличение содержания Al2O3, по сравнению с заявленными пределами, приводит к увеличению диэлектрической проницаемости и росту диэлектрических потерь.
Пример №9. Уменьшение содержания Al2O3, по сравнению с заявленными пределами, приводит к увеличению диэлектрических потерь, кроме того, становится невозможным получить хорошо спеченный материал, поэтому возрастает влагопоглощение.
Предлагаемое изобретение было создано в процессе выполнения тематического плана предприятия «Исследование возможности получения керамического материала с диэлектрической проницаемостью
Figure 00000006
». В дальнейшем при соответствующей технологической отработке будет выпущена документация на данный керамический материал марки 4К.
Создание керамического материала с низкой диэлектрической проницаемостью позволит расширить номенклатуру материалов и создаваемых на их основе современных радиоэлектронных устройств.

Claims (1)

  1. Керамический материал с низкой диэлектрической проницаемостью, содержащий оксид магния, алюминия, кремния, отличающийся тем, что он содержит оксид цинка при следующем соотношении компонентов, вес. %:
    Оксид магния (MgO) 13,8-6,40 Оксид алюминия (Al2O3) 32,0-35,6 Оксид цинка (ZnO) 0,2-13,5 Оксид кремния (SiO2) остальное
RU2015109374/03A 2015-03-17 2015-03-17 Керамический материал с низкой диэлектрической проницаемостью RU2581860C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015109374/03A RU2581860C1 (ru) 2015-03-17 2015-03-17 Керамический материал с низкой диэлектрической проницаемостью

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015109374/03A RU2581860C1 (ru) 2015-03-17 2015-03-17 Керамический материал с низкой диэлектрической проницаемостью

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2581860C1 true RU2581860C1 (ru) 2016-04-20

Family

ID=56195035

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015109374/03A RU2581860C1 (ru) 2015-03-17 2015-03-17 Керамический материал с низкой диэлектрической проницаемостью

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2581860C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2624475C1 (ru) * 2016-05-23 2017-07-04 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Феррит-Домен" Керамический материал

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2824090A1 (en) * 2013-03-26 2015-01-14 NGK Insulators, Ltd. Glass/ceramic composite material

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2824090A1 (en) * 2013-03-26 2015-01-14 NGK Insulators, Ltd. Glass/ceramic composite material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP 60137868 AБ 22.07.1985. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2624475C1 (ru) * 2016-05-23 2017-07-04 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Феррит-Домен" Керамический материал

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sayyadi-Shahraki et al. Microwave dielectric properties and chemical compatibility with silver electrode of Li2TiO3 ceramic with Li2O–ZnO–B2O3 glass additive
CN111925187A (zh) 一种无铅高压中温烧结的锶铋钛基介质材料及制备方法
CN105347781A (zh) 一种陶瓷材料及其制备方法
CN107382313A (zh) 一种超高品质因数、中低介电常数及近零温度系数的微波介质陶瓷及其制备方法
RU2581860C1 (ru) Керамический материал с низкой диэлектрической проницаемостью
KR101607582B1 (ko) 유전체 자기 조성물, 유전체 자기, 전자 부품 및 통신 기기
US7208434B2 (en) Dielectric ceramic composition of forsterite system for microwave and millimeter-wave application and method for forming the same
JP2011116615A (ja) アルミナ質焼結体
JP5481781B2 (ja) 誘電体磁器
JP2009023895A (ja) セラミックス基板及びその製造方法
CN104108930B (zh) 一种在350℃以上使用的高温稳定型介电陶瓷及其制备方法
JP2005272199A (ja) 低温焼成磁器組成物およびその製造方法
JP2000313657A (ja) 高耐電圧性アルミナ基焼結体
RU2624475C1 (ru) Керамический материал
JP2002068829A (ja) 磁器および磁器の製造方法
JP2021138581A (ja) セラミックス焼結体およびその製造方法
JPH06333429A (ja) 高周波用誘電体磁器組成物
JP5247294B2 (ja) セラミック支持部材およびこれを用いた誘電体共振器
JP7315902B2 (ja) 誘電体磁器組成物および電子部品
US10011533B2 (en) Porcelain composition with nanosized ceramic oxides
JP2005239446A (ja) 磁器組成物及びその製造方法
JP2011016682A (ja) 誘電体磁器組成物の製造方法
CN108314437B (zh) 一种低温烧结低介电常数陶瓷基板材料及制备方法
Chen et al. The influence of ZrO2 doping on the microwave dielectric properties and microstructures of Bi2Mo2O9 ceramics
Abhilash et al. Novel glass free ceramic for LTCC applications