一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷及制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷，所述微波介電陶瓷的主化學組成如下：SrO?CaO?MgO?ZnO?TiO2?Ta2O5，其中，SrO、CaO、MgO、ZnO、TiO2和Ta2O5的質量百分含量分別為4.5?12％、12?14％、1?2％、3％、3.5?9％和63?73％，所述微波介電陶瓷還包括CuO和MnO2，所述CuO的質量為主化學組成總質量的2％，所述MnO2的質量為主化學組成總質量的0.3％。本發明還公開了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷制備方法。本發明的最終產物具有中介電常數(50?60)、高品質因子(>16000)和頻率溫度系數(?20～+20ppm/℃)可調的優點，填補了介電常數在50?60之間的微波介質陶瓷的空白，為微波元器件的設計提供了一種選擇。
【專利說明】
一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷及制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及介質陶瓷及其制造領域，尤其涉及一種中介電常數、高品質因子的微 波介質陶瓷及制備方法。
【背景技術】
[0002] 微波介質陶瓷（Microwave Dielectric Ceramics,MWDC)應用于微波頻段 (300MHz-300GHz)電路中作為介質材料并完成一種或多種功能的陶瓷，在現代通訊中被廣 泛用作諧振器、濾波器、介質天線和介質導波回路等元器件，是現代通信技術的關鍵基礎材 料，已在便攜式移動電話、汽車電話、無繩電話、電視衛星接受器和軍事雷達等方面有著十 分重要的應用，在現代通訊工具的小型化、集成化過程中正發揮著越來越大的作用。
[0003]應用于微波頻段的介質陶瓷通常需要滿足如下三個條件：（1)適宜的介電常數以 利于器件的小型化(介質元器件的尺寸與介電常數k的平方根成反比）；（2)高的品質因數Q 以降低損耗，一般要求QXf多5000GHz(其中f為諧振頻率）；（3)穩定的頻率溫度系數，以保 證器件的溫度穩定性。上世紀70年代以來，開始了大規模的對介質陶瓷材料的開發工作，根 據相對介電常數k的大小與使用頻段的不同，通常可將已被開發和正在開發的微波介質陶 瓷分為四類。
[0004] 1、超低介電常數微波介電陶瓷，主要代表是Al2〇3-Ti〇2、Y2BaCu05、MgAl2〇4和 Mg2Si〇4等，其ε<20,品質因數QXf彡50000GHz，Tf<10ppm/°C。主要用于微波基板以及高 端微波元器件。
[0005] 和高 Q 值的微波介電陶瓷，主要是 Ba〇-Mg〇-Ta2〇5，Ba〇-Zn〇-Ta2〇5SBa〇-Mg〇-Nb2〇5，Ba〇-Zn〇-Nb2〇5系統或它們之間的復合系統MWDC材料，其e r = 20-35，Q=(l-2)X104 (在f彡10GHz下），^~0，主要應用于€彡86他的衛星直播等微波通信機中作為介質諧振器 件。
[0006] 3、中等edPQ值的微波介電陶瓷，主要是以BaTi4〇9、Ba2Ti9〇2Q和(Zr、Sn)Ti〇4等為基 的MWDC材料，其e r = 35-45，Q=(6-9) X 103(在f = 3-4GHz下），Tf<5ppm/°C，主要用于4-8GHz頻率范圍內的微波軍用雷達及通信系統中作為介質諧振器件。
[0007] 4、高^(>70)而Q值較低（~10000)的微波介電陶瓷，主要用于0.8-4GHZ頻率范圍 內民用移動通訊系統。
[0008] 綜上所述，目前市場上缺乏介電常數在50-60之間的中介電常數微波介質陶瓷。

【發明內容】

[0009] 本發明所要解決的技術問題在于填補介電常數在50~60微波介質陶瓷的空白，提 供一種新的微波介質陶瓷體系及其制備方法，為微波元器件的設計提供一種新的選擇。
[0010] 為了解決這一問題，本發明提供了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷， 所述微波介電陶瓷的主化學組成如下：Sr 〇-Ca〇-Mg〇-Zn〇-T i 〇2_Ta2〇5，其中，SrO、CaO、MgO、 ZnO、Ti〇2和Ta2〇5的質量百分含量分別為4.5-12%、12-14%、l-2%、3%、3.5-9%和63- 73%〇
[0011] 進一步地，所述微波介電陶瓷的原料為SrC03、CaC03、Mg0、Zn0、Ti04PTa 205。
[0012]具體地，所述微波介質陶瓷還包括CuO和Μη02,所述CuO的質量為主化學組成總質 量的2%，所述Mn〇2的質量為主化學組成總質量的0.3%。
[0013]相應地，本發明還提供了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷制備方法， 包括以下步驟：
[0014] 51、將原料5冗〇3、〇3〇)3、]^0、211〇、1^〇2和了32〇5分別按照3抑-〇3〇-]\%〇-211〇-1^〇2-Ta 2〇5的化學組成進行稱量配料，其中，3抑、0&0、1%0、2110、1^0 2和了&205的質量百分含量分別 為4.5-12%、12-14%、1-2%、3%、3· 5-9%，63-73%，將配料好的原料混合物置于球磨機 中，加入去離子水和球磨介質進行球磨混合；
[0015] S2、將球磨后的混合物干燥，經高溫煅燒獲得煅燒料；
[0016] S3、將步驟S2中的所述煅燒料置入球磨罐中，向其中加入CuO和Mn〇2，然后加入去 離子水和球磨介質進行球磨混合，制備得到漿料；
[0017] S4、將步驟S3中的所述漿料烘干，加入聚乙烯醇溶液作為粘接劑進行造粒；
[0018] S5、將步驟S4中所得的造粒料以干壓成型制備得到素坯，將所述素坯排膠并燒結 制備得到微波介質陶瓷。
[0019]具體地，在所述步驟S3中，CuO的加入量和Mn〇2的加入量分別為所述步驟S2中煅燒 料質量的2%和0.3%。
[0020] 進一步地，所述步驟S5中制備得到素坯后具體包括：
[0021] S5-1、將所述素坯置于高溫爐中梯度緩慢升溫進行排膠；
[0022] S5-2、將排膠后的素坯置于高溫爐中梯度緩慢升溫，冷卻至室溫制備得到微波介 質陶瓷。
[0023] 進一步地，所述步驟S5-1中的梯度緩慢升溫過程具體為：以0.5°C/min的升溫速度 升溫至100°C，保溫05h，再以1°C/min的升溫速度升溫至500-650°C，保溫3-5h;所述步驟S5-2中的梯度緩慢升溫過程具體如為：以2°C/min的升溫速度升溫至1000°C，再以5-10°C/min 的升溫速度升溫至1200-1300 °C，保溫2-8h。
[0024]其中，選擇梯度緩慢升溫的原理主要是:在成型時所引入的粘結劑為有機物，因此 在排膠階段需要緩慢升溫，避免過快升溫所導致的有機物分解產生的氣體體積急劇增加而 導致成型坯體破損;在燒結時，也是由于坯體對于環境水分的吸收以及排膠過程中所殘留 的有機殘渣需要再一次緩慢升溫以避免陶瓷坯體開裂破損，由于有機殘渣的存在會惡化微 波介電性能;為了避免由于溫度升溫過快陶瓷顆粒之間的快速粘接影響坯體中氣體的排出 采用梯度緩慢升溫方式。
[0025] 進一步地，所述步驟S5中干壓成型的成型壓力為100_200Mpa。
[0026] 進一步地，所述步驟S2中的高溫煅燒條件為:煅燒溫度為1000-1100°C，保溫時間 為2-6h。
[0027] 優選地，所述步驟S1和步驟S3中加入的球墨介質均為氧化錯球。
[0028] 本發明的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷及制備方法，具有如下有益效 果：
[0029] 1、本發明使用的原材料與最終產物均不含環境有害物質，環保性能好;且本發明 涉及的工藝步驟及相應配方范圍較寬，易于生產控制。
[0030] 2、本發明微波介質陶瓷具有中介電常數(50-60)、高品質因子(>>16000)和頻率溫 度系數(-20~+20ppm/°C)可調的優點，填補了介電常數在50-60之間的微波介質陶瓷的空 白，為微波元器件的設計提供了一種選擇。
[0031] 3、本發明采用梯度緩慢升溫使得坯體得到最優的排膠和燒結的處理，排出各種不 良影響因素，最終制備出性能優良的微波介質陶瓷。
【附圖說明】
[0032] 為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要 使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對 于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其 它附圖。
[0033] 圖1是本發明的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷及制備方法的方法流程 圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對發明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本 發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實 施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0035] 實施例一：
[0036] 本發明提供了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷，所述微波介電陶瓷 的主化學組成如下：Sr〇-Ca〇-Mg〇-Zn〇-T i 〇2_Ta2〇5，其中，SrO、CaO、MgO、ZnO、T i 〇2 和 Ta2〇5 的 質量百分含量分別為4.5 %、14 %、2 %、3 %、3.5 %和73 %，且所述微波介電陶瓷的原料為 SrC03、CaC03、Mg0、ZnO、Ti02和Ta2〇 5，所述微波介質陶瓷還包括CuO和Μη02，所述CuO的質量為 主化學組成總質量的2%，所述Μη0 2的質量為主化學組成總質量的0.3%。
[0037] 相應地，如圖1所示，本發明還提供了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶 瓷制備方法，包括以下步驟：
[0038] 51、將原料5冗〇3、0&0)3、]^0、211〇、1^〇2和了&2〇5分別按照3抑-〇&〇-]\%〇-211〇-1^〇2-Ta 2〇5的化學組成進行稱量配料，其中，3抑、0&0、1%0、2110、1^0 2和了&205的質量百分含量分別 為4.5 %、14 %、2 %、3 %、3.5 %和73 %，將配料好的原料混合物置于球磨機中，加入去離子 水和球磨介質氧化鋯球進行球磨混合；
[0039] S2、將球磨后的混合物干燥，經1100 °C高溫煅燒2h后獲得煅燒料；
[0040] S3、將步驟S2中的所述煅燒料置入球磨罐中，向其中加入CuO和Mn02,，Cu0的加入 量和Μη02的加入量分別為所述步驟S2中煅燒料質量的2 %和0.3 %，然后加入去離子水和球 磨介質氧化鋯球進行球磨混合，制備得到漿料；
[0041 ] S4、將步驟S3中的所述漿料烘干，加入聚乙烯醇溶液作為粘接劑進行造粒；
[0042] S5、將步驟S4中所得的造粒料在200Mpa成型壓力下干壓成型制備得到素坯，將所 述素坯置于高溫爐中，以〇.5°C/min的升溫速度升溫至100°C，保溫05h，再以rC/min的升溫 速度升溫至650°C，保溫3h進行排膠，將排膠后的素坯置于高溫爐中以2°C/min的升溫速度 升溫至1000°C，再以5-10°C/min的升溫速度升溫至1300°C，保溫2h進行燒結，冷卻至室溫制 備得到微波介質陶瓷。
[0043] 實施例二：
[0044] 本發明提供了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷，所述微波介電陶瓷 的主化學組成如下：Sr〇-Ca〇-Mg〇-Zn〇-T i 〇2_Ta2〇5，其中，SrO、CaO、MgO、ZnO、T i 〇2 和 Ta2〇5 的 質量百分含量分別為8 %、13 %、1.5 %、3 %、6.5 %和68 %，且所述微波介電陶瓷的原料為 SrC03、CaC03、MgO、ZnO、Ti02和Ta2〇 5，所述微波介質陶瓷還包括CuO和Μη02，所述CuO的質量為 主化學組成總質量的2%，所述Μη0 2的質量為主化學組成總質量的0.3%。
[0045] 相應地，如圖1所示，本發明還提供了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶 瓷制備方法，包括以下步驟：
[0046] 51、將原料5冗〇3、0&0)3、]^0、211〇、1^〇2和了&2〇5分別按照3抑-〇&〇-]\%〇-211〇-1^〇2-Ta 2〇5的化學組成進行稱量配料，其中，3抑、0&0、1%0、2110、1^0 2和了&205的質量百分含量分別 為8%、13%、1.5%、3%、6.5%和68%，將配料好的原料混合物置于球磨機中，加入去離子 水和球磨介質氧化鋯球進行球磨混合；
[0047] S2、將球磨后的混合物干燥，經1000°C高溫煅燒6h后獲得煅燒料；
[0048] S3、將步驟S2中的所述煅燒料置入球磨罐中，向其中加入CuO和Mn02,，Cu0的加入 量和Μη02的加入量分別為所述步驟S2中煅燒料質量的2 %和0.3 %，然后加入去離子水和球 磨介質氧化鋯球進行球磨混合，制備得到漿料；
[0049] S4、將步驟S3中的所述漿料烘干，加入聚乙烯醇溶液作為粘接劑進行造粒；
[0050] S5、將步驟S4中所得的造粒料在lOOMpa成型壓力下干壓成型制備得到素坯，將所 述素坯置于高溫爐中，以〇.5°C/min的升溫速度升溫至100°C，保溫05h，再以rC/min的升溫 速度升溫至500°C，保溫5h進行排膠，將排膠后的素坯置于高溫爐中以2°C/min的升溫速度 升溫至1000°C，再以5-10°C/min的升溫速度升溫至1200°C，保溫8h進行燒結，冷卻至室溫制 備得到微波介質陶瓷。
[0051 ] 實施例三：
[0052] 本發明提供了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷，所述微波介電陶瓷 的主化學組成如下：Sr〇-Ca〇-Mg〇-Zn〇-T i 〇2_Ta2〇5，其中，SrO、CaO、MgO、ZnO、T i 〇2 和 Ta2〇5 的 質量百分含量分別為12%、12%、1%、3%、9%和63%，且所述微波介電陶瓷的原料為 SrC03、CaC03、Mg0、ZnO、Ti02和Ta2〇 5，所述微波介質陶瓷還包括CuO和Μη02，所述CuO的質量為 主化學組成總質量的2%，所述Μη0 2的質量為主化學組成總質量的0.3%。
[0053] 相應地，如圖1所示，本發明還提供了一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶 瓷制備方法，包括以下步驟：
[0054] 51、將原料5冗〇3、0&0)3、]^0、211〇、1^〇2和了&2〇5分別按照3抑-〇&〇-]\%〇-211〇-1^〇2-Ta 2〇5的化學組成進行稱量配料，其中，3抑、0&0、1%0、2110、1^0 2和了&205的質量百分含量分別 為12%、12%、1%、3%、9%和63%，將配料好的原料混合物置于球磨機中，加入去離子水和 球磨介質氧化鋯球進行球磨混合；
[0055] S2、將球磨后的混合物干燥，經1050°C高溫煅燒4h后獲得煅燒料；
[0056] S3、將步驟S2中的所述煅燒料置入球磨罐中，向其中加入CuO和Mn02,，Cu0的加入 量和Μη02的加入量分別為所述步驟S2中煅燒料質量的2 %和0.3 %，然后加入去離子水和球 磨介質氧化鋯球進行球磨混合，制備得到漿料；
[0057] S4、將步驟S3中的所述漿料烘干，加入聚乙烯醇溶液作為粘接劑進行造粒；
[0058] S5、將步驟S4中所得的造粒料在150Mpa成型壓力下干壓成型制備得到素坯，將所 述素坯置于高溫爐中，以〇.5°C/min的升溫速度升溫至100°C，保溫05h，再以rC/min的升溫 速度升溫至550°C，保溫4h進行排膠，將排膠后的素坯置于高溫爐中以2°C/min的升溫速度 升溫至1000°C，再以5-10°C/min的升溫速度升溫至1250°C，保溫5h進行燒結，冷卻至室溫制 備得到微波介質陶瓷。
[0059]本發明彌補了微波介質陶瓷在介電常數上的空缺，為基于微波介質陶瓷設計的微 波元器件提供了一種材料選擇。
[0060]經測試，實施例一至實施例三所獲得的微波介質陶瓷性能如下表所示：
[0062] 本發明的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷及制備方法，具有如下有益效 果：
[0063] 1、本發明使用的原材料與最終產物均不含環境有害物質，環保性能好;且本發明 涉及的工藝步驟及相應配方范圍較寬，易于生產控制。
[0064] 2、本發明微波介質陶瓷具有中介電常數(50-60 )、高品質因子(> 16000)和頻率溫 度系數(-20~+20ppm/°C)可調的優點，填補了介電常數在50-60之間的微波介質陶瓷的空 白，為微波元器件的設計提供了一種選擇。
[0065] 3、本發明采用梯度緩慢升溫使得坯體得到最優的排膠和燒結的處理，排出各種不 良影響因素，最終制備出性能優良的微波介質陶瓷。
[0066] 以上所揭露的僅為本發明的幾個較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之 權利范圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。
【主權項】
1. 一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷，其特征在于，所述微波介電陶瓷的主 化學組成如下：Sr〇-Ca〇-Mg〇-Zn〇-Ti〇2-Ta 2〇5，其中，SrO、CaO、MgO、ZnO、Ti〇2和Ta2〇5的質量 百分含量分別為4· 5-12%、12-14%、1-2%、3%、3· 5-9%和63-73%。2. 根據權利要求1所述的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷，其特征在于，所述 微波介電陶瓷的原料為Sr C03、CaC03、MgO、ZnO、T i 02和Ta2〇5。3. 根據權利要求1或2所述的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷，其特征在于，所 述微波介質陶瓷還包括CuO和Mn〇2,所述CuO的質量為主化學組成總質量的2%，所述Mn〇2的 質量為主化學組成總質量的0.3%。4. 一種中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷制備方法，其特征在于，包括以下步 驟： s 1、將原料SrC〇3、CaC〇3、MgO、ZnO、T i 〇2和 Ta2〇5分別按照 Sr〇-Ca〇-Mg〇-Zn〇-T i 〇2-Ta2〇5 的 化學組成進行稱量配料，其中，3"、0&0、1%0、2110、1102和了&20 5的質量百分含量分別為4.5-12 %、12-14 %、1-2 %、3 %、3 · 5-9 %，63-73 %，將配料好的原料混合物置于球磨機中，加入 去離子水和球磨介質進行球磨混合； 52、 將球磨后的混合物干燥，經高溫煅燒獲得煅燒料； 53、 將步驟S2中的所述煅燒料置入球磨罐中，向其中加入CuO和Mn02，然后加入去離子水 和球磨介質進行球磨混合，制備得到漿料； 54、 將步驟S3中的所述漿料烘干，加入聚乙烯醇溶液作為粘接劑進行造粒； 55、 將步驟S4中所得的造粒料以干壓成型制備得到素坯，將所述素坯排膠并燒結制備 得到微波介質陶瓷。5. 根據權利要求4所述的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷制備方法，其特征在 于，在所述步驟S3中，CuO的加入量和Μη0 2的加入量分別為所述步驟S2中煅燒料質量的2% 和0.3%〇6. 根據權利要求4或5所述的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷制備方法，其特 征在于，所述步驟S5中制備得到素坯后具體包括： S5-1、將所述素坯置于高溫爐中梯度緩慢升溫進行排膠； S5-2、將排膠后的素坯置于高溫爐中梯度緩慢升溫，冷卻至室溫制備得到微波介質陶 bL· 〇7. 根據權利要求6所述的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷制備方法，其特征在 于， 所述步驟S5-1中的梯度緩慢升溫過程具體為：以0.5°C/min的升溫速度升溫至100°C， 保溫05h，再以l°C/min的升溫速度升溫至500-650°C，保溫3-5h; 所述步驟S5-2中的梯度緩慢升溫過程具體如為：以2°C/min的升溫速度升溫至1000°C， 再以5-10°C/min的升溫速度升溫至1200-1300°C，保溫2-8h。8. 根據權利要求7所述的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷制備方法，其特征在 于，所述步驟S5中干壓成型的成型壓力為100-200Mpa。9. 根據權利要求7或8所述的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷制備方法，其特 征在于，所述步驟S2中的高溫煅燒條件為:煅燒溫度為1000-1100°C，保溫時間為2-6h。10. 根據權利要求9所述的中介電常數、高品質因子的微波介質陶瓷制備方法，其特征 在于，所述步驟S1和步驟S3中加入的球墨介質均為氧化錯球。
【文檔編號】C04B35/64GK106045513SQ201610640430
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月8日 公開號201610640430.9, CN 106045513 A, CN 106045513A, CN 201610640430, CN-A-106045513, CN106045513 A, CN106045513A, CN201610640430, CN201610640430.9
【發明人】余洪滔, 龔毅輝, 徐海維
【申請人】蘇州博恩希普新材料科技有限公司