Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷及其制备方法

文档序号:10641967阅读:879来源:国知局
Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种Mg?Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其化学式为MgxBi4?xTi3?xNbxO12,式中x=0.1~0.4。先将原料Bi2O3、TiO2、(MgCO3)4·Mg(OH)2·5H2O和Nb2O5按MgxBi4?xTi3?xNbxO12其中x=0.1~0.4的化学计量比,混合后球磨6h,再于90℃烘干,研磨,过筛;再于800℃合成,并进行二次球磨12h,再烘干,研磨,过筛,再外加质量百分比为7wt.%的聚乙烯醇水溶液进行造粒,压柱均化,捣碎,研磨过筛,压制成型为坯体;坯体于650℃保温1h,进行有机物排除;再于1000~1100℃烧结,制得Mg?Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷。本发明在较低烧结温度下制备出了高介电常数的钛酸铋微波介质陶瓷,降低了钛酸铋的介电损耗,提高了制品性能,最佳烧结温度为1050℃,其εr=125、Q×f=632GHz。
【专利说明】
Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物,尤其涉及一种Mg-Nb掺杂Bi4Ti3O12 体系的微波介质陶瓷。
【背景技术】
[0002] 微波介质陶瓷是近二十多年来发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。它是指应用 于微波频率(主要是300MHz~30GHz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,近年来研究十分活跃。用微波介质陶 瓷材料做成的各类高性能器件,已被广泛应用于卫星电视、雷达、移动通讯、电子计算机及 现代医学等众多领域。为适应移动通讯与卫星通讯等方面的迅速发展,国际上对微波介质 陶瓷的研究与开发应用愈来愈重视。目前对微波介质陶瓷的研究开发主要围绕如下几大方 向开展:①追求低损耗的极限,研究已有材料的低损耗化;②探索更高的介电常数(>1〇〇乃 至> 150)新体系;③频率捷变(电调)微波介质陶瓷。即对微波介质陶瓷材料总的要求是:在 所使用的微波波段内,介电系数要大,品质因数Q要高,谐振频率的温度系数介要接近于零 或可调节。根据介电常数的大小,微波介质陶瓷可以分为三大类:1、低介电常数微波介质陶 瓷,一般其£<20,此类微波介质陶瓷主要包括Al2〇3、MgTi0 3、Y2BaCu05、Mg2Si〇4、Mg2Ti〇4、 Zn2SiO4JgAl2O4等,这类陶瓷主要应用于微波基板和高端微波元件;2、中介电常数微波介 质陶瓷,一般其20〈e r〈70,此类微波介质陶瓷主要包括BaO-TiO2体系、Ln2O3-TiO 2体系、钙基 或钡基复合 1丐钛矿、(2!',3]1)11〇4、]/[0-1^1203-1';[02(1 = 1^,31',03;1^1 = ]^1,制,3111)体系等,这 类微波介质陶瓷主要应用于卫星通信和移动通信基站;3、高介电常数微波介质陶瓷,一般 其£》70,此类微波介质陶瓷主要包括 Tio2XaTiOhBaO-Ln2O3-Ti(^aiv2Lnv 2)TiO3XaO-Li2O-Ln2O3-TiO 2和铅基复合钙钛矿等,这类陶瓷主要应用于微波介质谐振器和滤波器上。 微波介质陶瓷具有较高的介电常数,可以实现电子线路的小型化需求,较高的品质因数,能 够减少能量损失,同时延长设备的使用寿命,接近于零的谐振频率温度系数,可以使得电路 具有良好的稳定性。广泛用于制作各种微波器件,如稳频振荡器、滤波器等各种介质谐振器 以及介质基片、天线和片式电容器等,能够满足现代微波通信、移动通信、卫星通信、广播电 视、雷达、电子对抗、制导等技术对微波电路集成化、微型化、高可靠性和低成本的要求。不 同的需求对介电常数的需求不同,因此希望通过适当的调整配方,在保证品质因数、谐振频 率温度系数的前提下,获得一系列的介电常数是必要的。
[0003] Bi4Ti3O12为铋层状结构,其化学通式为他2〇2)2+仏-&0加 +1)2-,由(Bi2〇2)2+层和类 钙钛矿层(A^1B mO3M1)2-沿C轴有规则地交替排列而成,相邻两铋氧层之间沿C轴方向的氧八 面体数由m来标示。Bi 4Ti3O12烧结温度低,介电常数很高,谐振频率温度系数较小,但是损耗 较大。Bi 4Ti3O12在1050°C烧结时其微波性能为er= 110,QXf = 305GHz。但是对于Mg-Nb同时 掺杂Bi4Ti3O1J^瓷在微波频段还没有被研究,
【申请人】探究了Mg-Nb同时对其进行掺杂改性 的影响。为了使其性能达到最佳,还探究了烧结温度对其性能的影响。因此,Bi 4Ti3O12微波 介质陶瓷作为微波介质材料应在保持高介电常数基础上降低损耗,提高QXf值,以实现在 微波频段上的更好应用。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的,是解决^41^3012微波介质陶瓷损耗过高的弊端,通过加入 (1%0) 3)4*18(0!〇2*5!120和恥2〇 5并通过工艺调整,来降低损耗,提高〇\付直,提供一种能在 较低温烧结且能保证其具有较好的微波性能的MgxBi 4-xTi3-xNbx〇12(x = 0.1~0.4)微波介质 陶瓷。
[0005] 本发明通过如下技术方案予以实现:
[0006] 一种Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其化学式为MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12,式中x = 0.1 ~0.4;
[0007] 该Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷的制备方法,具有如下步骤:
[0008] (1)配料
[0009] 将原料Bi2O3,TiO2, (MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20,Nb2〇5按MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12,式中X = 0.1~0.4的化学计量比,混合后放入球磨罐中,球磨时间为6h;再将混合料于90°C烘干,研 磨,过40目筛;
[0010] ⑵合成
[0011]将步骤(1)中过筛后的粉料,放入坩埚内,压实,加盖,密封,于800°C合成,保温3h, 自然冷却到室温,出炉;
[0012] (3)二次球磨
[0013] 将步骤(2)出炉后的合成料研磨后放入球磨罐中进行二次球磨12h,再于90°C烘 干,研磨,过40目筛;
[0014] (4)压片
[0015]将步骤(3)过筛后的粉料,外加质量百分比为7wt. %的聚乙烯醇水溶液进行造粒, 压柱均化,再将其捣碎,研磨过筛,压制成型为坯体;
[0016] (5)排胶
[0017] 将步骤(4)的坯体放入马弗炉中,以5°C/min的速率升温至650°C,保温lh,并于升 温至200 °C和350 °C时各保温Ih,并于200 °C和350 °C各保温Ih,进行有机物排除;
[0018] (6)烧结
[0019] 将步骤(5)排胶后的坯体放进坩埚中加入垫料进行埋烧,以5°C/min的升温速率升 温至1000~1100°C烧结,保温5h,随炉自然冷却至室温,制得Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶 bL· 〇
[0020] 所述步骤(1)的原料Bi2O3,Ti〇2,(MgC〇3)4 · Mg(OH)2 · 5H20和Nb2O5均为市售的质量 纯度多99 %的化学纯原料。
[0021 ] 所述步骤(1)按MgxBi4-xTi3-xNbx0i2,X = 0 · 1的化学计量比配料。
[0022]所述步骤(1)的球磨介质为去离子水和氧化锆球,球:料:去离子水的重量比均为 2:1:0.6,球磨机转速为750转/分。
[0023]所述步骤(3)的球磨机转速为750转/分。
[0024] 所述步骤(4)压制成型的压强为200MPa。
[0025] 所述步骤(4)压制成型的还体为直径d = 12mm、厚度5~6mm的圆柱状还体。
[0026] 所述步骤(6)的烧结温度为1050°C。
[0027] 本发明的有益效果,是以Bi4Ti3O12微波介质陶瓷为基础,采用加入(MgCO 3)4 · Mg (0H)2 · 5H20和Nb2O5来提高Q X f值的方法,通过配方与工艺的调整和改进,制备具有较好综 合性能的MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12,式中x = 0.1~0.4,本发明提高了 Q X f值,得到了一种综合性 能较好的微波陶瓷,其中125,Q X f = 632GHz。
【附图说明】
[0028]图1是本发明实施例2的Mg-Nb含量X = 0.1,烧结温度为1050 °C时的扫描电镜图谱。
【具体实施方式】
[0029] 本发明采用的原料Bi2O3,TiO2, (MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20和Nb2O5均为市售的化学 纯原料(质量纯度多99%)。采用传统方法即固相反应混合方法进行常压烧结来制备具有较 好综合性能的微波介质陶瓷材料。
[0030] 本发明的制备方法如下:
[0031] (1)配料
[0032] 将原料Bi2O3,TiO2,(MgCO3) 4 · Mg(OH)2 · 5H20和Nb2O5按MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12,式中X =0.1~0.4的化学计量比,混合后放入球磨罐中,球磨介质均为去离子水和氧化锆球,球: 料:去离子水的重量比均为2:1:0.6;球磨时间为6h,球磨机的转速为750转/分;再将混合料 放入烘箱内于90°C烘干,然后放入研钵内研磨,过40目筛;
[0033] (2)合成
[0034] 将步骤(1)中过筛后的粉料,放入坩埚内,压实,加盖,密封,在合成炉中于800°C合 成,保温3h,自然冷却到室温,出炉;
[0035] (3)二次球磨
[0036] 将步骤(2)出炉后的合成料研磨后放入球磨罐中进行二次球磨12h,球磨机的转速 为750转/分,再将球磨后的料放入烘箱内于90°C烘干,然后放入研钵内研磨,过40目筛;
[0037] (4)压片
[0038]将步骤(3)过筛后的粉料,外加质量百分比为7wt. %的聚乙烯醇水溶液进行造粒, 压柱均化,再将其捣碎,研磨过筛,压制成型为坯体;
[0039] (5)排胶
[0040] 将步骤(4)的坯体放入马弗炉中,以5°C/min的速率升温至650°C,保温lh,并于升 温至200 °C和350 °C时各保温Ih,并于200 °C和350 °C各保温Ih,进行有机物排除;
[0041] (6)烧结
[0042] 将步骤(5)排胶后的坯体放进坩埚中加入垫料进行埋烧,以5°C/min的升温速率升 温至1000~1100°C烧结,保温5h,随炉自然冷却至室温,制得Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶 瓷;
[0043] (7)测试微波性能
[0044]将步骤(6)烧结后的微波介质陶瓷,于室温静置24h,使用Agilent ,N5230C网络分 析仪测试其ε:,Q X f微波性能。
[0045] 本发明具体实施例的(MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20和Nb2O5的掺杂量为O.lwt. %的 MgxBi4-xTi3-xNbx〇 12微波介质材料,在不同烧结温度及其制品的测试结果详见表1。
[0046]不同Mg-Nb掺杂量的MgxBi4-xTi3-xNb x〇12微波介质材料在同一烧结温度及其制品的 测试结果详见表2。
[0047]表 1
[00511图1是本发明实施例2的Mg-Nb含量X = 0.1,烧结温度为1050 °C时的扫描电镜图谱。 由图1中可以看出,其晶粒生长一致,形成片层状结构,结晶性能较好。
[0052] 最佳实施例为本发明实施例2的Mg-Nb含量x = 0.1,烧结温度为1050°C时,εΓ= 125 (Hakki-Coleman method)、QXf = 632GHz(Cavity method)。
[0053] 本发明制备的微波陶瓷材料主要作为介质谐振器和滤波器应用于低频(f〈4GHz) 的民用移动通信系统中,低温烧结能够降低成本,减少污染。
[0054]上述对实施例的描述是便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟 悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原 理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领 域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围 之内。
【主权项】
1. 一种Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其化学式为MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12,式中x = 0.1~ 0·4〇 该Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷的制备方法,具有如下步骤: ⑴配料 将原料扮2〇3,1102,(]\%0)3)4.]\%(0!〇2.5!1 20,他2〇5按1^^41113-^^^012,式中叉=0.1~ 0.4的化学计量比,混合后放入球磨罐中,球磨时间为6h;再将混合料于90°C烘干,研磨,过 40目筛; (2) 合成 将步骤(1)中过筛后的粉料,放入坩埚内,压实,加盖,密封,于800°C合成,保温3h,自然 冷却到室温,出炉; (3) 二次球磨 将步骤(2)出炉后的合成料研磨后放入球磨罐中进行二次球磨12h,再于90 °C烘干,研 磨,过40目筛; (4) 压片 将步骤(3)过筛后的粉料,外加质量百分比为7wt. %的聚乙烯醇水溶液进行造粒,压柱 均化,再将其捣碎,研磨过筛,压制成型为坯体; (5) 排胶 将步骤(4)的坯体放入马弗炉中,以5°C/min的速率升温至650°C,保温lh,并于升温至 200 °C和350 °C时各保温lh,并于200 °C和350 °C各保温lh,进行有机物排除; (6) 烧结 将步骤(5)排胶后的坯体放进坩埚中加入垫料进行埋烧,以5°C/min的升温速率升温至 1000~1100°C烧结,保温5h,随炉自然冷却至室温,制得Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷。2. 根据权利要求1所述的Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其特征在于,所述步骤(1)的 原料別2〇 3,1^02,(1%0)3)4 48(0!〇2.5!120和恥2〇5均为市售的质量纯度彡99%的化学纯原 料。3. 根据权利要求1所述的Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其特征在于,所述步骤(1)按 MgxBi4-xTi3-xNbx0i2,x = 0.1 的化学计量比配料。4. 根据权利要求1所述的Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其特征在于,所述步骤(1)的 球磨介质为去离子水和氧化锆球,球:料:去离子水的重量比均为2:1:0.6,球磨机转速为 750转/分。5. 根据权利要求1所述的Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其特征在于,所述步骤(3)的 球磨机转速为750转/分。6. 根据权利要求1所述的Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其特征在于,所述步骤(4)压 制成型的压强为200MPa。7. 根据权利要求1所述的Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其特征在于,所述步骤(4)压 制成型的还体为直径d = 12mm、厚度5~6mm的圆柱状还体。8. 根据权利要求1所述的Mg-Nb掺杂钛酸铋微波介质陶瓷,其特征在于,所述步骤(6)的 烧结温度为1050 °C。
【文档编号】C04B35/475GK106007707SQ201610524513
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】马卫兵, 臧向荣, 李娜, 王燕云, 尤博仟
【申请人】天津大学
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