一种中介电常数低损耗微波介质陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及材料科学技术领域，特别设及一种中介电常数低损耗微波介质陶瓷及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 微波介质陶瓷是近二十多年发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。它是指应用于 微波频段（主要是300MHz~300GHz频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的 陶瓷材料，是制造微波介质滤波器和谐振器的关键材料。该种材料是近几十年来随着移动 通信事业的迅速发展而发展起来的新型功能陶瓷材料，其突出特点是介电常数高、损耗低、 谐振频率温度系数小，并被用来制成介质谐振器、介质天线、双工器、介质导波回路、介质稳 频振荡器等微波元件。
[0003] 目前，该些器件已被广泛应用于微波多路通信、微波中继通信、移动通信、卫星电 视广播通信、散射通信、军用雷达和卫星导航定位系统等众多领域。近年来受益于移动通 信、航天、军事、现代医学等领域的快速发展，微波介质陶瓷材料也越来越受到人们的关注， 正W惊人速度迅速发展。
[0004] 综上所述，随着微波介质陶瓷广泛应用于介质谐振器、滤波器、介质波导、介质基 板W及介质超材料等领域，因此，寻找、制备与研究高介电常数（et> 40)、低损耗（Qf> 5000GHz)、近零谐振频率温度系数（TCF= 0ppm/°C)、低成本（不含或者含有少量贵重金 属）、环保（至少无铅，尽量不含或者含有较少有毒原材料）的新型微波介质陶瓷成为了人 们当前研究的热点与重点。
[000引 目前，中介电常数的微波陶瓷材料体系主要有BaTiA/BasTi化。体系、伍，Sn) Ti04、BiNb04体系等，但存在相对介电常数较低（低于40)，烧结温度或谐振频率温度系数过 高等问题，使微波陶瓷材料的生产和利用受到限制。
【发明内容】
[0006] 基于上述问题，本发明目的是提供一种中介电常数低损耗微波介质陶瓷，该陶瓷 材料相对介电常数较高，微波性能良好，谐振频率温度系数接近零。
[0007] 本发明的另一目的在于提供一种中介电常数低损耗微波介质陶瓷的制备方法，该 方法操作简单易行。
[000引为了克服现有技术的不足，本发明提供的技术方案是：
[0009] 一种中介电常数低损耗微波介质陶瓷，该陶瓷的组成表达式为曲&/3佩2/3) xTi〇4+ywt%MnC〇3,其中0. 325《X《0. 4,0. 2《y《0. 5,y为MnC〇3占Zr(1-X) (]\%1/3佩2/3) xTi〇4的质量百分数。
[0010] 进一步的，所述陶瓷的相对介电常数为39. 5~46. 2,品质因数Qf= 23300GHz~ 43500細Z，谐振频率温度系数为=14. 2卵m/°C~-0. 9卵m/°C。
[0011] 针对本发明的另一目的，本发明还提供一种中介电常数低损耗微波介质陶瓷的制 备方法，包括w下步骤：
[001引 （1)将错、儀、魄、铁的氧化物和铺的碳酸盐按照陶瓷的组成表达式 (Mgi/3Nb2/3)xTi04+ywt%MnCO进行配料混合后充分球磨，然后烘干、过筛并压制成块状体， 然后在1000°C下保温化，得到样品烧块；
[001引 似将步骤（1)制得的样品烧块粉碎后充分球磨，然后烘干、造粒、过筛，将过筛后 的颗粒压制成型，然后在118(TC~1280°C下烧结化成瓷，得到中介电常数低损耗微波介质 陶瓷。
[0014] 优选的，所述错、儀、魄、铁的氧化物和铺的碳酸盐分别为Zr〇2、MgO、佩2〇5、Ti〇2和 MnC〇3〇
[0015] 优选的，所述步骤（1)和所述步骤（2)中球磨时的球磨时间为化~化，所述步骤 (1)和所述步骤（2)中的烘干温度为100°C~120°C。
[0016] 优选的，所述步骤（1)中过筛时使用120目的筛网，所述步骤（2)中过筛为双层过 筛，使用的为60目和120目的筛网。
[0017] 优选的，所述步骤（2)中造粒时将粉体与聚己締醇水溶液混合后制成微米级球形 颗粒。
[0018] 优选的，所述步骤（2)中的烧结在空气气氛下进行。
[0019] 与现有技术相比，本发明的优点是：
[0020] 1.采用本发明的技术方案，WZrTiO途红石相为基础，其中Zr4+与（Mgi/3Nb2/3r复 合离子共同占据A位，Ti4+离子占据B位，复合离子（Mg1/3佩2/3) 可完全进入ZrTiO4晶相形 成固溶体，通过渗杂Mn"离子使Zr 曲肖1/3佩2/3)Ji〇4陶瓷能够在空气氛围中进行烧结，烧 结温度较低，得到的陶瓷材料介电常数较高、微波性能良好、谐振频率温度系数趋近于零；
[0021] 2.本发明采用的技术方案，选取原料氧化物和碳酸盐，通过一次球磨使得氧化物 和碳酸盐均匀混合，然后经过预烧结使氧化物和碳酸盐进行初步反应，通过二次球磨细化 反应区颗粒的尺寸，最后通过烧结得到陶瓷样品，该制备方法操作简单易行，制得的微波陶 瓷样品性能优越。
【具体实施方式】
[0022] W下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，该些实施例是用于说明 本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可W根据具体厂家的条件做 进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
[0023] 本发明中使用的测试方法
[0024] 微波频段下，目前精确测量低损耗材料介电性能最好的方法是介质谐振器法。 它的测试灵敏度高，测试准确，借助Agilent8720ES网络分析仪（频率范围为50MHz~ 20GHz)通过闭式谐振腔法能够精确测量材料的品质因数，即介质试样由低介电常数、低损 耗的聚四氣己締支柱支撑，置于金属屏蔽腔内，通过探针禪合环激励整个测试系统。经测试 得出此时出现唯一的谐振峰，即为TEwi模式；当盖上腔盖后，其他模式的谐振峰会发生移 动，而TE。。模式的谐振峰移动不大。确定TE。11模式谐振峰后仔细调节谐振峰的形状，使之 达到最佳禪合状态，然后读取TEwi模式谐振峰的中屯、谐振频率f。、有载斯值和插入损耗，通 过计算软件得出微波介质陶瓷的相对介电常数和QXf值。
[0025]用DeltaDesi即生产的Delta9023型高低温循环箱和网络分析仪测试谐振频率 温度系数Tf。将测试夹具放入高低温箱中，测其在25°C时的谐振频率，然后对其加热85°C， 测其在85°C时的谐振频率，根据式（1)计算出样品的谐振频率温度系数Tf。具体换算关 系由（1)式给出：
[酬r-二為或貼"^巧)xl06 (1)
[0027]式中，fsg代表25°C时样品的谐振频率，f85代表85°C时样品的谐振频率。
[00測 实施例1
[0029] 按照陶瓷组成表达式2町675^肖1/3佩2/3)。.325了1〇4+〇.2"*%111〇)3称取原料2州2、1径0、 佩2〇5、Ti化和MnC〇3,充分混合后W2(K)r/min的速度球磨化，然后在120°C条件下烘干，过 120目筛网后压块，在空气氛围、1000°C条件下保温化，得到样品烧块；将样品烧块粉碎后 进行二次球磨，球磨时间为化，在120°C条件下烘干，将粉体与聚己締醇的水溶液混合，制 成微米级的球形颗粒，经60目和120目的筛网双层过筛，得到60目到120目的所需瓷料， 将瓷料压制成型，在128(TC空气条件下烧结化，即得到中介电常数低损耗微波介质陶瓷材 料。
[0030] 经测试陶瓷材料的性能指标为：微波下的相对介电常数et= 41. 5(5. 82GHz)，品 质因子Q二4000,Qf= 23300細z,微波下的谐振频率温度系数TCF= -14. 2卵m/C(测试 温度区间为25°C~85°C)。
[0031] 实施例2
[00对按照陶瓷组成表达式21'。.675^肖1/3佩2/3)。.325了104+0.5"1%1110)3称取原料21'02、1径0、 佩205、Ti化和MnC03,充分混合后W2(K)r/min的速度球磨化，然后在120°C条件下烘干，过 120目筛网后压块，在空气氛围、1000°C条件下保温化，得到样品烧块；将样品烧块粉碎后 进行二次球磨，球磨时间为化，在120°C条件下烘干，将粉体与聚己締醇的水溶液混合，制 成微米级的球形颗粒，经60目和120目的筛网双层过筛，得到60目到120目的所需瓷料， 将瓷料压制成型，在1280°C空气条件下烧结化，即得到中介电常数低损耗微波介质陶瓷材 料。
[0033]经测试陶瓷材料的性能指标为：微波下的相对介电常数et=42. 9 (5. 66GHz)，品 质因子Q= 7350,Qf= 41600細z，微波下的谐振频率温度系数TCF= -13. 2卵m/°C(测试 温度区间为25°C~85°C)。
[0034] 实施例3
[0035] 按照陶瓷组成表达式2町65曲肖1/3佩2/3)。.35了1〇4+〇. 2wt%MnC〇3称取原料Zr〇2、MgO、 佩2〇5、Ti化和MnC〇3,充分混合后W2(K)r/min的速度球磨化，然后在120°C条件下烘干，过 120目筛网后压块，在空气氛围、1000°C条件下保温化，得到样品烧块；将样品烧块粉碎后 进行二次球磨，球磨时间为化，在120°C条件下烘干，将粉体与聚己締醇的水溶液混合，制 成微米级的球形颗粒，经60目和120目的筛网双层过筛，得到60目到120目的所需瓷料， 将瓷料压制成型，在126(TC空气条件下烧结化，即得到中介电常数低损耗微波介质陶瓷材 料。
[0036]经测试陶瓷材料的性能指标为：微波下的相对介电常数et=42. 2 (5. 88GHz)，品 质因子Q= 7400,Qf= 43500細z，微波下的谐振频率温度系数TCF= -13. 5卵m/°C(测试 温度区间为25°C~85°C)。
[0037] 实施例4
[0038] 按照陶瓷组成表达式Zr。.e日曲肖1/3佩2/3)。.3日Ti〇4+〇.4wt%MnC〇3称取原料ZrO 2、MgO、 佩2〇5、Ti化和MnC〇3,充分混合后W2(K)r/min的速度球磨化，然后在120°C条件下烘干，过 120目筛网后压块，在空气氛围、1000°C条件下保温化，得到样品烧块；将样品烧块粉碎后 进行二次球磨，球磨时间为化，在120°C条件下烘干，将粉体与聚己締醇的水溶液混合，制 成微米级的球形颗粒，经60目和120目的筛网双层过筛，得到60目到120目的所需瓷料， 将瓷料压制成型，在126(TC空气条件下烧结化，即得到中介电常数低损耗微波介质陶瓷材 料。
[0039]经测试陶瓷材料的性能指标为：微波下的相对介电常数et=42. 3 (5. 87GHz)，品 质因子Q二7260, Qf=42600細z,微波下的谐振频率温度系数TCF=-13. 3卵m/ C(测试 温度区间为25°C~85°C)。
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