专利名称：高介电常数微波介质陶瓷材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及通讯系统中的介质谐振器、滤波器等微波元器件用的高介电常数微波介质陶瓷材料。
背景技术：
微波介质陶瓷材料由于能用于制作微波通讯系统中的谐振器、滤波器和其它关键器件，所以在商业上和军事上得到广泛的应用。这些应用对微波介质陶瓷材料的要求是(1)高的介电常数(εr)，以减小器件的尺寸；(2)低损耗(即高的品质因数或Q*f(GHz)值)，以获得在微波频率下更好的选频性；(3)趋予零的谐振频率温度系数(TCf)，用以保证器件在温度波动时具有很好的稳定性。这些要求极大地限制了大部分陶瓷材料应用于实际器件。此外，下一代通讯系统要求元器件更加小型化、性能更高且成本更低，因此有必要开发新的材料或提高已有材料的性能以适应新的需求。
在无线通讯器件的应用上，组分为CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2的一系列陶瓷材料已经由Takahashi等人在美国申请专利，分别为US Patent No.5188993，Feb.23，1993.和US Patent No.5320991，June 14，1994.；同时文献H.Takahashi，Y.Baba，K.Ezaki，Y.Okamoto，K.Shibata，K.Kuroki and S.Nakano；Dielectric characteristics of(A1+1/2A3+1/2)TiO3ceramics atmicrowave frequencies；Jpn.J.Appl.Phys.，30，9B，2339-2342，(1991).和文献K.Ezaki，Y.Baba，H.Takahashi，K.Shibata and S.Nakano；Microwavedielectric properties of CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2ceramics.Jpn.J.Appl.Phys.，32，9B，4319-4322，(1993).中也有相关报道。这些文献所提到的微波介质陶瓷材料都具有相当高的介电常数，但是很难获得Qf＞3000GHz的材料。
发明内容
本发明提供一种高介电常数微波介质陶瓷材料，目的是在保持高的介电常数的同时提高材料的品质因数，同时在一定范围内具有希望得到的任何谐振频率温度系数；本发明的另一目的是降低烧结温度。
本发明所提供的微波介质陶瓷材料，以uCaO-vLn2O3-wLi2O-xTiO2系微波介质陶瓷材料为主料，各组分的含量分别是10.0mol.％≤u≤20.0mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，5.0mol.％≤w≤15.0mol.％，55.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％，Ln＝Sm3+；其特征是在所述主料中掺入0.5～10wt.％的Li1/2Bi1/2TiO3；X射线衍射分析结果，所有组分都形成单一的钙钛矿相。
所述的高介电常数微波介质陶瓷材料，所述主料各组分参数u、v、w、x的优选值为15.0mol.％≤u≤17.5mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，7.5mol.％≤w≤10.0mol.％，60.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％；Li1/2Bi1/2TiO3的掺入量可以为2.5～5wt.％；材料的烧结温度低于1350℃。
本发明的高介电常数微波介质陶瓷材料可按下述方法制备而成(1)主成分材料采用按所述u、v、w、x的摩尔比称量原料u CaCO3，v Sm2O3，w Li2CO3和x TiO2为起始原料，混合后用酒精和锆球在行星球磨机中球磨3～6小时；(2)混合物在75～120℃下干燥5～12小时；(3)在1050～1150℃下预烧2～4个小时；简称为CLST；
(4)在上述步骤进行的同时或分时，16.667mol％的Li2CO3，16.667mol％的Bi2O3和66.667mol％的TiO2作为副组分的起始原料，简称为LBT；混合后用酒精和锆球在行星球磨机中球磨3～6小时；(5)混合物在75～120℃下干燥5～12小时；(6)在800～900℃下预烧2～4个小时。
(7)然后，0.5～10wt.％步骤(6)预烧后的LBT添加到步骤(3)预烧后的CLST中，混合物用酒精和锆球在行星球磨机中球磨3～6小时；(8)干燥后在1～20MPa的压力下加压成型；(9)采用温度在1200～1400℃的范围内的一系列烧结工艺，烧结2～4个小时。
为了测量样品的介电性能，首先将直径11～13mm、高度5～7mm的圆柱状陶瓷样品在1200目SiC砂纸上打磨，然后将其用超声波在酒精中清洗。采用开式腔法用微波频率的横向电场(TE011模)分析样品的介电性能。通过测量介质谐振器的谐振频率随温度的变化率得到样品的谐振频率温度系数，测量的温度范围为25～85℃。
本发明的高介电常数微波介质陶瓷材料，在主料中掺入Li1/2Bi1/2TiO3，(以下简称为LBT)，可以提高介电常数，改进品质因数(降低介电损耗)，并且能将TCf值调到近似为0ppm/℃。由于副组分LBT的熔点低，它也可用作为烧结促进剂，通过添加LBT，在1200～1400℃之间调节烧结温度可以得到很大范围内的优良的介电性能。X射线衍射分析结果，所有组分共同形成单一的钙钛矿相。
图1为TCf值随LBT添加量的变化曲线图；图2为TCf值随烧结温度变化的曲线图。
具体实施例方式
表1为构成本发明的各成分含量的具体实施例及其相应的微波介电性能。
表1LBT添加到CLST材料的烧结温度和介电性能
图1所示为TCf值随LBT添加量的变化曲线图，样品在1400℃下烧结而成。陶瓷材料的介电性能在频率为2.5～3.5GHz下测得。如表1所示，介质材料的介电常数随着LBT添加量的增加而增大，在烧结温度为1200～1300℃下得到最大值。添加LBT后的CLST可以得到最大值为超过5000GHz的Qf值。然而，当LBT的添加量超过10wt.％时，陶瓷材料的Qf值迅速降低，难以用开式腔法测得在高频下材料的介电性能。当u、v、w、x的比例适当时(u∶v∶w∶x＝11∶5∶8∶40)，通过改变LBT的添加量，可以获得介电常数范围在93～112，Qf值超过3000GHz和近似为零的TCf值。
图2所示为TCf值随烧结温度的变化曲线图，陶瓷样品材料分别为5wt.％和10wt.％LBT添加到CLST中，CLST中各组分的比例为u∶v∶w∶x＝11∶5∶8∶40。由图可见，TCf值随着烧结温度的升高而向负的方向变化，增加LBT的添加量，也有利于降低材料的烧结温度以得到近似为零的TCf值时。最佳烧结温度也同样很重要，如表1中列出的那些例子所示。所有的这些优点就使得LBT成为uCaO-vLn2O3-wLi2O-xTiO2(其中10.0mol.％≤u≤20.0mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，5.0mol.％≤w≤15.0mol.％，55.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％，Ln＝Sm3+)陶瓷的优良的添加物。这种材料能用于制作介质谐振器和滤波器，在300MHz到30GHz工作，可以提高介质谐振器和滤波器等微波器件在微波频段的性能。
权利要求
1.一种高介电常数微波介质陶瓷材料，以uCaO-vLn2O3-wLi2O-xTiO2系微波介质陶瓷材料为主料，各组分的含量分别是10.0mol.％≤u≤20.0mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，5.0mol.％≤w≤15.0mol.％，55.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％，Ln＝Sm3+；其特征是在所述主料中掺入0.5～10wt.％的Li1/2Bi1/2TiO3；X射线衍射分析结果，所有组分都形成单一的钙钛矿相。
2.如权利要求1所述的高介电常数微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述主料各组分参数u、v、w、x的优选值为15.0mol.％≤u≤17.5mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，7.5mol.％≤w≤10.0mol.％，60.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％，Li1/2Bi1/2TiO3的掺入量为2.5～5wt.％；材料的烧结温度低于1350℃。
全文摘要
高介电常数微波介质陶瓷材料，涉及通讯系统中的介质谐振器、滤波器等微波元器件用的高介电常数微波介质陶瓷材料，目的是保持高介电常数的同时提高材料品质因数，同时在一定范围内具有希望得到的任何谐振频率温度系数；本发明以uCaO－vLn
文档编号C04B35/46GK1673179SQ200510018239
公开日2005年9月28日 申请日期2005年2月2日 优先权日2005年2月2日
发明者艾瑞克·P·K, 吕文中, 汪小红 申请人:华中科技大学