一种Mg-Ti-Ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明属于电子陶瓷及其制造领域，具体涉及一种mg-ti-ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法，材料结构为trirutile相。

背景技术：

电子通信的高速发展，尤其涉及微波频段通信(300mhz～300ghz)的重要性日益增加，广泛的应用于移动手持电话、蓝牙、雷达、广播电视等领域。因此微波器件的发展，诸如谐振器、滤波器、介质天线等微波元器件的需求也日益增加。微波介质陶瓷具有尺寸可控，利用其制作的谐振器与微带线等构成的集成电路，可使器件尺寸达到毫米量级，使得微波介质陶瓷成为基础及关键材料。而对于不同领域的应用，适中的介电常数、谐振频率温度稳定系数以及高的品质因数q×f值、低的损耗是研究微波介质陶瓷的主要参数。

trirutile相微波介质陶瓷mgta2o6具有适中的介电常数：εr＝30.3、q×f＝59600ghz、τf＝30ppm/℃。但其烧结致密化所需温度达到1550℃，极大的限制了其应用。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，为解决现有trirutile相微波介质陶瓷烧结温度以及参数性能不佳的问题，本发明提供了一种mg-ti-ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法，其材料结构为trirutile相。

本发明提供的mg-ti-ta基微波介质陶瓷材料，为mg0.5ti0.5tao4微波介质陶瓷材料，具有trirutile相晶体结构，预烧温度950℃-1150℃，烧结温度适中(1200-1300℃)，介电常数适中(40-44)，损耗低至2.34×10^-4。其原料组成为mg(oh)2·4mgco3·5h2o，tio2，ta2o5，化学通式mg0.5ti0.5tao4，通过固相法制得。

其制备方法具体如下：

步骤1：将碱式碳酸镁(mg(oh)2·4mgco3·5h2o)、二氧化钛(tio2)和氧化钽(ta2o5)的原始粉末按照化学通式mg0.5ti0.5tao4配料。

步骤2：将步骤1所得配料与氧化锆球和去离子水，以质量比1:4-6:3-6配比，行星球磨6-8小时，然后在80℃-120℃下烘干，再以60-200目筛网过筛，最后在950℃-1150℃大气氛围中预烧3-5小时合成主晶相mg0.5ti0.5tao4。

步骤3：将步骤2所得粉料按照粉料：氧化锆球：去离子水质量比1:3-5:2-4，行星球磨混合4-6小时，然后在80℃-100℃下烘干，烘干后添加质量百分比为2～5％的pva溶液作为粘结剂造粒，然后压制成型，最后在1200℃-1300℃大气气氛中烧结4-6小时，制成mg0.5ti0.5tao4微波介质陶瓷材料。

本发明对mgta2o6从原料上引入tio2，考虑ti⁴⁺离子与mg²⁺及ta⁵⁺离子具有相近的离子半径，从而使得晶体结构上，ti⁴⁺离子能够进入格点位置，形成固溶体。利用该固溶体的形成温度较低(预烧温度在950℃即可形成晶相结构)，并且由于ti⁴⁺离子的引入，改变了该固溶体系的摩尔体积与离子极化率，结合克劳修斯-莫索蒂方程，最终得到的材料体系介电常数高于mgta2o6陶瓷，且烧结温度1200-1300℃低于mgta2o6的1550℃。

附图说明

图1为实施例1-5的xrd图；

图2a-e分别对应为实施例1-5的表面形貌sem图；图2f为实施例4中a点与b点的x射线能谱(eds)分析。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

步骤1、将mg(oh)2·4mgco3·5h2o)、tio2、ta2o5的原始粉末按照化学通式mg0.5ti0.5tao4配料。

步骤2、将步骤1所得粉料，按照粉料：氧化锆球：去离子水的质量比1:5:3加入尼龙罐中，行星球磨混合6小时，取出后在100℃下烘干，以200目筛网过筛，后在1000℃大气氛围中预烧4小时合成主晶相mg0.5ti0.5tao4。

步骤3、将步骤2预烧后所得的粉料按照粉料：氧化锆球：去离子水的质量比1:5:1加入尼龙罐中，行星球磨混合4小时，取出后在100℃下烘干，烘干后添加质量百分比为4％的pva溶液作为粘结剂造粒，压制成型，最后在1200-1300℃大气气氛中烧结6小时，制成微波介质陶瓷材料。

图1为实施例1-5所取烧结温度(1200、1225、1250、1275、1300)的xrd图，其中si峰作为内标法校准实验及仪器误差。在不同的烧结温度下，样品的衍射峰与trirutile相mgta2o6卡片(jcpds#32-0631)匹配，说明此时形成了trirutile相固溶体mg0.5ti0.5tao4。但实际衍射峰峰位存在右移现象。依据布拉格衍射定律，峰位右移是由于晶胞体积变小导致。相较mgta2o6而言，mg0.5ti0.5tao4相中ti⁴⁺离子在相同配位数下离子半径小于mg²⁺及ta⁵⁺离子，因此晶胞体积将会降低，故衍射峰右移。

图2(a)至(e)为实施例1、2、3、4、5的表面形貌sem图。明显地，随着烧结温度的升高，样品的气孔率降低，致密度提高，晶粒尺寸并且晶粒尺寸从1.29增加至9.64μm。从图中还可以看出随着烧结温度的升高，出现明显差异的大小晶粒。为了检测大小晶粒中的元素含量比例，我们采用的x射线能谱(eds)对其中图(d)的大小晶粒进行了分析，结果显示于图(f)中，从结果中可以看出，大小晶粒处的mg:ti:ta元素比例约为1:1:2，接近理想化学式mg0.5ti0.5tao4的配比。当烧结温度持续增加，如图(e)所示，此时样品的晶粒持续增加，说明样品可能已经过烧，导致晶粒的二次再生长。

实施例的成分和微波介电性能如下

从上表的实施例1-4可以看出，随着烧结温度的升高，样品的收缩逐渐增加，介电常数增加，介质损耗降低，品质因数q×f值升高，结合sem形貌图看出烧结温度的提高有助于提高致密度，降低气孔率，同时晶粒尺寸也在逐渐增加。但从实施例5中看出，介电常数、介质损耗及品质因数q×f值呈现出与实施例1-4相反的变化趋势，说明此时样品已经过烧，对微波介电性能有不利影响。

综上可见，本发明提供的mg-ti-ta基介质陶瓷材料，具有适中的烧结温度，适中的介电常数以及较低的介质损耗，性能参数佳；且其制备方法，工艺简单，易于工业化生产。