一種微波介質陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電子材料與元器件領域，尤其設及一種微波介質陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 微波介質材料是最近20年來迅速發展起來的一種新型功能電子陶瓷材料。它是濾 波器、雙工器、諧振器及介質波導回路等微波器件中的關鍵材料，被廣泛應用于衛星通信、 移動通信、電子對抗及機載通信等微波通信設備中，是當前介質材料的熱點之一。
[0003] 化o.sSno.sTi化陶瓷作為一種傳統的微波介質材料，微波波段為毫米波段(波長范 圍：1~IOmm)時，具有中介電常數（Er 3 40)、高的品質因數Q*f、近零的諧振頻率溫度系數Tf 等微波介電性能，但存在燒結溫度高(高于HO(TC),制備過程中能耗較大，不符合低碳環保 的理念。
[0004] 隨著移動通訊技術不斷發展，對微波器件的小型化和高品質提出更高的要求，運 就要求微波介質陶瓷介質材料應滿足W下要求：（1)具有適的中介電常數Er; (2)高品質因 數Q*f; (3)溫度系數Tf近零；（4)低碳節能。因此本領域有必要提供一種微波介電性能較好且 價格較低的微波介質陶瓷及其制備方法。

【發明內容】

[0005] 有鑒于此，本發明提供了一種微波介質陶瓷，包括主晶相，所述主晶相的化學表達 式為 Zro. sSno. 2-x(Mgi/3Nb2/3 )xTi〇4，其中（0<又<0.2)。
[0006] 在某些實施方式中，還包括燒結助劑，所述的燒結助劑為Li2〇、B2〇3、Bi2〇3中的任一 一種或幾種組合。
[0007] 在某些實施方式中，還包括改性添加劑，所述的改性添加劑為Mn化、C〇2化、Ga2化中 的任一一種或幾種組合。
[000引在某些實施方式中，所述的主晶相在微波介質陶瓷中所占的摩爾質量百分比為90 ~95mol%。
[0009] 在某些實施方式中，所述的燒結助劑在微波介質陶瓷中所占的摩爾質量百分比為 2.0~5.Omol% D
[0010] 在某些實施方式中，所述的改性添加劑在微波介質陶瓷中所占的摩爾質量百分比 為 1.0 ~5. Omol %。
[0011] 本發明還提供了一種微波介質陶瓷的制備方法，包括W下步驟：
[001^ (1)按照主晶相的化學表達式的化學計量比取Zr02、Sn02、MgO、Nb205、Ti02后進行第 一次球磨或沙磨后干燥得到第一混合物；
[0013] (2)將所述的第一混合物預燒得到粉料；
[0014] (3)將所述的粉料加入改性添加劑和燒結助劑后進行第二次球磨或沙磨，干燥后 得到第二混合物；
[0015] (4)將所述的第二混合物加入粘合劑造粒、壓制成型后制得生培；
[0016] (5)所述的生培經燒結得到微波介質陶瓷。
[0017] 在某些實施方式中，所述的步驟(2)中，第一混合物經800°C~1000°C預燒得到粉 料;所述的步驟(5)中，生培經1200°C~1300°C燒結得到微波介質陶瓷。
[0018] 在某些實施方式中，所述的步驟(1)中，第一次球磨或沙磨時間為8~16小時。
[0019] 在某些實施方式中，所述的步驟(3)中，第二次球磨或沙磨時間為8~24小時。
[0020] 與現有技術相比，本發明提供的微波介質陶瓷具有W下優勢：
[0021] (1)微波介電性能較好:介電常數Er = 38~42,且在此范圍內可調節；品質因數Q*f = 60000~70000G化;頻率溫度系數Tf = -2.5~+6.3 X l〇-^°C，且在此范圍內可調節;溫度 特性穩定；
[0022] (2)本發明提供的微波介質陶瓷的制備方法中，燒結溫度較低，節約了能源成本， 符合低碳環保的理念；
[0023] (3)本發明制備工藝簡單，無需特殊設備和苛刻工藝條件，適合工業化生產。
[0024] 由此可知，本發明提供的微波介質陶瓷具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[002引圖1為Zr0.8Sn0.2-x(Mgi/3Nb2/3)xTi04微波介質陶瓷的沈M圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合具體實施例的方式對本發明的權利要求做進一步的詳細說明，在下面的 描述中闡述了很多具體細節W便于充分理解本發明。
[0027] 但是本發明能夠W很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可W 在不違背本發明內涵的情況下做類似改進，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。
[0028] 本發明提供了一種微波介質陶瓷，包括主晶相，主晶相的化學表達式為Zro.8Sno.2-x (Mgl/3Nb2/3)xTi〇4,其中（0<x<0.2)。
[0029] 上述，微波介質陶瓷除了屬離子型晶體結構多晶材料外，往往還是復相材料，通常 由主晶相，一個或多個雜項，氣孔等組成。
[0030] 其中，Sn4+、（Mgi/3Nb2/3)4+的離子極化率和離子半徑不一樣，通過對Zr 4+取代促進晶 格崎變從而提高品質因數、調整介電常數的目的，W及通過調節Sn4+含量可W使諧振頻率溫 度系數Tf調節為零。
[0031] 需要理解的是，結構及組分簡單的妮酸鹽是近年來開發的新型微波介質陶瓷材 料，所有的妮酸鹽都是妮鐵礦結構，并且Tf為負值。
[0032] 優選地，微波介質陶瓷還包括燒結助劑，所述的燒結助劑為Li2〇、B2〇3、Bi2〇3中的任 --種或幾種組合。
[0033] 上述，利用滲加燒結助劑來實現微波介質陶瓷的低溫燒結，較為經濟、有效。Li2〇、 B2化、Bi2化均屬于烙點較低的氧化物，燒結時產生的液相加速了顆粒或晶粒的重排，從而降 低了燒結溫度，即形成活性液相燒結。活性液相燒結時由于顆粒之間存在的液相從而產生 了巨大的毛細管力，使得顆粒發生滑移和重排，同時液相所產生的毛細管力也會引起固相 顆粒的溶解-淀析過程，使較小的顆粒溶解，較大的顆粒長大。在顆粒接觸點，較大毛細管力 使固相溶解度增高，物質便由高溶解度區遷移至低溶解度區，從而使接觸區的顆粒漸趨平 坦而互相靠近，使巧體收縮而達致密化，進行較為致密的燒結，減少了氣孔，降低了燒結溫 度，從而進行低溫液相燒結。
[0034] 優選地，微波陶瓷介質材料還包括改性添加劑Mn化、C〇2化、Ga2化中的任--種或幾 種組合。
[0035] 上述，離子替代對微波陶瓷介質材料的內部結構變化與所產生的相應的介電性能 改變不同，通過對改性主晶相的相結構、顯微組織、介電性能分析，可W發現不同的離子半 徑、極化率、電負性和價態的離子滲雜對主晶相的性能影響較大，經實驗證明Mn化、C〇2化和 〇曰2化均具有改善微波陶瓷介質材料的介電性能、降低燒結溫度的作用。
[0036] 其中，上述微波介質陶瓷通過滲雜Mn離子，吸引自由電子將其變為緊束縛的電子， 可W抑制Ti離子的還原，防止在燒結過程中由于氧氣不足，Ti 4+還原為Ti3+,從而導致介電 損耗增加，微波介質陶瓷的介電性能惡化。
[0037] 優選地，所述的主晶相在微波介質陶瓷材料中的總含量為90~95mol %。
[0038] 優選地，所述的燒結助劑在微波介質陶瓷材料中所占的摩爾百分比為2.0~ 5.Omol%。
[0039] 上述，復相材料的介電常數變化服從對數混合規則，控制雜項含量，特別是減少氣 孔含量，使陶瓷樣品燒結致密顯得尤為重要。
[0040] 燒結助劑的用量過高時，陶瓷在燒結過程中產生的液相會更多，促進晶粒生長的 同時也會導致個別晶粒異常長大，晶粒尺寸均勻性變差，反而不利于密度的提高，即當液相 量超過最佳含量也不再利于致密化過程了。
[0041] 優選地，所述的改性添加劑在微波介質陶瓷材料中所占的摩爾百分比為1.0~ 5.Omol%。
[0042] 上述，可W理解的是，滲雜改性添加劑的方式分為兩種：一是先合成主晶相化合 物，再滲雜改性添加劑;二是在合成主晶相化合物的原料配料階段就滲雜改性添加劑。
[0043] 優選地，所述的燒結助劑包括Li2〇、B203、Bi 2〇3，其中Li2〇所占的摩爾百分比為0.5 ~1.5mol %，B203所占的摩爾百分比為0.5~2mol %，Bi2〇3所占的摩爾百分比為1~ 1 .Smol %。
[0044] 上述，B203降低燒結溫度的效果最好，但需要控制其在燒結助劑中的比例，從而防 止微波介質陶瓷介電性能的惡化;Li2〇、B2化、Bi2化S者的摩爾質量百分比應在適當范圍內， 控制介電損耗的同時，降低燒結微波介質陶瓷時的溫度。
[0045] 優選地，所述的改性添加劑包括Mn〇2、C〇2〇3、Ga2〇3，其中Mn化所占的摩爾百分比為0 ~1111〇1%，(：02〇3所占的摩爾百分比為0~11]1〇1%，6日2〇3所占的摩爾百分比為1~31]1〇1%。
[0046] 111〇2、(：02〇3、6曰2〇3立者在適當范圍內組成的改性添加劑，微波介質陶瓷在燒結時， 致密度達到最好時，幾乎看不到氣孔，晶粒發育較完全，晶粒大小一致性較好。但超過一定 值時，微波介質陶瓷的表面液相逐漸增多，晶粒大小一致性較差，將影響陶瓷的致密性。
[0047] 經實驗證明，上述微波介質陶瓷材料具有低損耗和良好的微波介電性能介電常數 e = 38~42，且在此范圍內可調節；品質因數Q*f = 60000~70000細Z;頻率溫度系數Tf = -2.5 ~+6.3 X 1 〇-^ °C范圍內可調節，溫度特性穩定。
[004引本發明提供了一種微波介質陶瓷的制備方法，包括W下步驟：
[0049] 步驟（1):按照主晶相的化學表達式的化學計量比取2'〇2、511〇2、1旨0、抓2〇5、1'1〇2后 進行第一次球磨或沙磨后干燥得到第一混合物；
[0050] 上述，步驟（1)中，優選地，W純度大于99%的化〇2、5〇〇2、1旨0、抓2〇5、^及純度大于 99.9%的Ti化為初始原料;放入球磨機中球磨。第一次球磨的目的是為了使粉料細化并混 合均勻。
[0051 ]優選地，初始原料放入聚醋罐中，加入去離子水，加入錯球，在行星式球磨機上球 磨若干小時，轉速為300~800轉/分。
[0052] 可W理解的是，去離子水還可W為酒精。
[0053] 優選地，初始原料、錯球、去離子水(酒精)的體積比為1:5:0.7~1.5。
[0054] 所述的行星式研磨機由球磨罐、罐座、轉盤、固定帶輪和電動機等組成，在轉盤上 有四個球磨罐，當轉盤轉動時，球磨罐隨轉盤圍繞同一軸屯、即中屯、軸作行星式運動，罐中磨 料在高速運動中研磨和混合被淹沒的原料。該種球磨罐轉速快，球磨效率高，結構緊湊，操 作方便，密封取樣，安全可靠，噪聲低，無