一种石榴石结构低介电透明RexGd3-xAl3Ga2O12微波陶瓷及其制备方法与流程

本发明属于信息功能微波陶瓷制造领域，具体涉及一种石榴石结构低介电透明rexgd3-xal3ga2o12微波陶瓷及其制备方法。

背景技术

随着现代通讯和雷达技术的迅速发展，微波通讯已构成现代通讯技术的重要组成部分。与普通无线电波相比，微波具有频率高、波长短、抗干扰能力强、能穿透电离层等特点，适于作大容量、高质量、远距离通信的信号载体。介电常数（εr），介电损耗（tanδ）和谐振频率温度系数（τf）是评价微波介质陶瓷介电性能的主要参数。微波介质陶瓷的透过率是较少研究者关注的方向。

目前，提高陶瓷材料透过率的方法主要有两种：一种是离子取代改性，另一种则是改进烧结技术。

经查阅，有报道发现尖晶石型mgal2o4陶瓷在具有微波介电性能的同时也表现出透明特点；而石榴石结构的re3ga5o12(re：nd，sm，eu，dy，yb，y)和re3al5o12(re：tb，y，er，yb)陶瓷均具有优异的微波介电性能，但其为不透明的陶瓷材料。发明人实验中发现，石榴石结构的al-ga体系，在具有微波介电性时，能同时具有一定的透明特征。基于此，发明人对其进行离子取代改性，并延长烧结保温时间，制备出一种石榴石结构低介电透明微波陶瓷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石榴石结构低介电透明rexgd3-xal3ga2o12微波陶瓷及其制备方法。

本发明所述的石榴石结构低介电透明rexgd3-xal3ga2o12微波陶瓷，组成通式为：rexgd3-xal3ga2o12，其中0≤x≤0.065，re为nd和er中的一种。

本发明所述的石榴石结构低介电透明rexgd3-xal3ga2o12微波陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用传统固相合成法合成rexgd3-xal3ga2o12粉体；

选择纯度为99.9%re2o3、99.9%gd2o3、99.5%al2o3、99.9%ga2o3粉末为原料，按照re2o3:gd2o3:al2o3:ga2o3=x:3-x:3:2的摩尔比例混合，其中0≤x≤0.065；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成rexgd3-xal3ga2o12粉体；

（2）使用步骤（1）合成的rexgd3-xal3ga2o12粉体与5%聚乙烯醇（pva）按照10g:0.5ml的比例混合，烘干，研磨成粉末；

（3）将步骤（2）的粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明rexgd3-xal3ga2o12微波陶瓷。

通常情况下，改善陶瓷微波介电性能或透明度，各种结构的陶瓷需要采用离子取代改性。发明人经过大量的实验，在石榴石结构gd3ga5o12体系中，ga用同等价态的元素al、cr、bi等部分取代，仅有al取代（化学式为gd3al3ga2o12）能够实现一定的透明度，进一步在透明gd3al3ga2o12体系中用部分nd或er取代gd，陶瓷仍旧展现出透明特征，而其它稀土元素yb、sm、dy等取代则不再透明。因此，本发明对石榴石结构的gd3ga5o12陶瓷进行离子取代改性，用al³⁺部分取代ga³⁺，nd或er部分取代gd³⁺，采用传统固相烧结法，延长烧结保温时间，制备的rexgd3-xal3ga2o12陶瓷成功实现陶瓷透明性，经微波介电性能测试，陶瓷微波介电常数（εr）介于9.7~10.3，品质因子与谐振频率乘积（q.f）介于1600~5100ghz，谐振频率温度系数（tcf）介于-25~-80ppm/℃，这表明本发明成功制备出一种石榴石结构低介电透明微波陶瓷。这种微波陶瓷可用于制造微波介质元器件如滤波器、谐振器、介质基板等，特别是需要可视化透明窗口的信息通讯和集成电路中。

附图说明

图1是实施例1gd3al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时样品。

图2是实施例2nd0.008gd2.992al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时样品。

图3是实施例3nd0.018gd2.982al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时样品。

图4是实施例4nd0.045gd2.955al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时样品。

图5是实施例5nd0.065gd2.935al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时样品。

图6是实施例6er0.008gd2.992al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时样品。

图7是实施例7er0.018gd2.982al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时样品。

图8是实施例8er0.045gd2.955al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时样品。

图9是实施例9er0.065gd2.935al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时样品。

具体实施方式

下面结合九个实施例对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

实施例1：

制备石榴石结构低介电透明gd3al3ga2o12微波陶瓷，包括如下步骤：

（1）选择高纯度的gd2o3（99.9%）、al2o3（99.5%）、ga2o3（99.9%）粉末为原料，按gd2o3:al2o3:ga2o3=3:3:2的摩尔比例混合；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成gd3al3ga2o12粉体；

（2）将所得粉体与5%pva按照10g:0.5ml的比例混合,烘干，研磨成粉末；

（3）将粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明gd3al3ga2o12微波陶瓷。

制备的gd3al3ga2o12微波陶瓷经微波介电性能测试结果如下：

gd3al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时的样品如图1所示，样品具有一定的透明特征。

实施例2：

制备石榴石结构低介电透明nd0.008gd2.992al3ga2o12微波陶瓷，包括如下步骤：

（1）选择高纯度的nd2o3（99.9%）、gd2o3（99.9%）、al2o3（99.5%）、ga2o3（99.9%）粉末为原料，按照nd2o3:gd2o3:al2o3:ga2o3=0.008:2.992:3:2的摩尔比例混合；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成nd0.008gd2.992al3ga2o12粉体；

（2）将所得粉体与5%pva按照10g:0.5ml的比例混合,烘干，研磨成粉末；（3）将粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明nd0.008gd2.992al3ga2o12微波陶瓷。

制备的nd0.008gd2.992al3ga2o12微波陶瓷经微波介电性能测试结果如下：

nd0.008gd2.992al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时的样品如图2所示，样品具有一定的透明特征。

实施例3：

制备石榴石结构低介电透明nd0.018gd2.982al3ga2o12微波陶瓷，包括如下步骤：

（1）选择高纯度的nd2o3（99.9%）、gd2o3（99.9%）、al2o3（99.5%）、ga2o3（99.9%）粉末为原料，按照nd2o3:gd2o3:al2o3:ga2o3=0.018:2.982:3:2的摩尔比例混合；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成nd0.018gd2.982al3ga2o12粉体；

（2）将所得粉体与5%pva按照10g:0.5ml的比例混合,烘干，研磨成粉末；

（3）将粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明nd0.018gd2.982al3ga2o12微波陶瓷。

制备的nd0.018gd2.982al3ga2o12微波陶瓷经微波介电性能测试结果如下：

nd0.018gd2.982al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时的样品如图3所示，样品具有一定的透明特征。

实施例4：

制备石榴石结构低介电透明nd0.045gd2.955al3ga2o12微波陶瓷，包括如下步骤：

（1）选择高纯度的nd2o3（99.9%）、gd2o3（99.9%）、al2o3（99.5%）、ga2o3（99.9%）粉末为原料，按照nd2o3:gd2o3:al2o3:ga2o3=0.045:2.955:3:2的摩尔比例混合；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成nd0.045gd2.955al3ga2o12粉体；

（2）将所得粉体与5%pva按照10g:0.5ml的比例混合,烘干，研磨成粉末；

（3）将粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明nd0.045gd2.955al3ga2o12微波陶瓷。

制备的nd0.045gd2.955al3ga2o12微波陶瓷经微波介电性能测试结果如下：

nd0.045gd2.955al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时的样品如图4所示，样品具有一定的透明特征。

实施例5：

制备石榴石结构低介电透明nd0.065gd2.935al3ga2o12微波陶瓷，包括如下步骤：

（1）选择高纯度的nd2o3（99.9%）、gd2o3（99.9%）、al2o3（99.5%）、ga2o3（99.9%）粉末为原料，按照nd2o3:gd2o3:al2o3:ga2o3=0.065:2.935:3:2的摩尔比例混合；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成nd0.065gd2.935al3ga2o12粉体；

（2）将所得粉体与5%pva按照10g:0.5ml的比例混合,烘干，研磨成粉末；

（3）将粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明nd0.065gd2.935al3ga2o12微波陶瓷。

制备的nd0.065gd2.935al3ga2o12微波陶瓷经微波介电性能测试结果如下：

nd0.065gd2.935al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时的样品如图5所示，样品具有一定的透明特征。

实施例6：

制备石榴石结构低介电透明er0.008gd2.992al3ga2o12微波陶瓷，包括如下步骤：

（1）选择高纯度的er2o3（99.9%）、gd2o3（99.9%）、al2o3（99.5%）、ga2o3（99.9%）粉末为原料，按照er2o3:gd2o3:al2o3:ga2o3=0.008:2.992:3:2的摩尔比例混合；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成er0.008gd2.992al3ga2o12粉体；

（2）将所得粉体与5%pva按照10g:0.5ml的比例混合,烘干，研磨成粉末；

（3）将粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明er0.008gd2.992al3ga2o12微波陶瓷。

制备的er0.008gd2.992al3ga2o12微波陶瓷经微波介电性能测试结果如下：

er0.008gd2.992al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时的样品如图6所示，样品具有一定的透明特征。

实施例7：

制备石榴石结构低介电透明er0.018gd2.982al3ga2o12微波陶瓷，包括如下步骤：

（1）选择高纯度的er2o3（99.9%）、gd2o3（99.9%）、al2o3（99.5%）、ga2o3（99.9%）粉末为原料，按照er2o3:gd2o3:al2o3:ga2o3=0.018:2.982:3:2的摩尔比例混合；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成er0.018gd2.982al3ga2o12粉体；

（2）将所得粉体与5%pva按照10g:0.5ml的比例混合,烘干，研磨成粉末；

（3）将粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明er0.018gd2.982al3ga2o12微波陶瓷。

制备的er0.018gd2.982al3ga2o12微波陶瓷经微波介电性能测试结果如下：

er0.018gd2.982al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时的样品如图7所示，样品具有一定的透明特征。

实施例8：

制备石榴石结构低介电透明er0.045gd2.955al3ga2o12微波陶瓷，包括如下步骤：

（1）选择高纯度的er2o3（99.9%）、gd2o3（99.9%）、al2o3（99.5%）、ga2o3（99.9%）粉末为原料，按照er2o3:gd2o3:al2o3:ga2o3=0.045:2.955:3:2的摩尔比例混合；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成er0.045gd2.955al3ga2o12粉体；

（2）将所得粉体与5%pva按照10g:0.5ml的比例混合,烘干，研磨成粉末；（3）将粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明er0.045gd2.955al3ga2o12微波陶瓷。

制备的er0.045gd2.955al3ga2o12微波陶瓷经微波介电性能测试结果如下：

er0.045gd2.955al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时的样品如图8所示，样品具有一定的透明特征。

实施例9：

制备石榴石结构低介电透明er0.065gd2.935al3ga2o12微波陶瓷，包括如下步骤：

（1）选择高纯度的er2o3（99.9%）、gd2o3（99.9%）、al2o3（99.5%）、ga2o3（99.9%）粉末为原料，按照er2o3:gd2o3:al2o3:ga2o3=0.065:2.935:3:2的摩尔比例混合；

以无水乙醇为介质，取无水乙醇与混合后的粉末按照10ml（无水乙醇）:10g（混合粉末）的比例混合后，置于行星球磨机中充分混合24h，取出烘干，研磨，再经过1100℃保温5小时合成er0.065gd2.935al3ga2o12粉体；

（2）将所得粉体与5%pva按照10g:0.5ml的比例混合,烘干，研磨成粉末；

（3）将粉末压制成陶瓷坯体，在1580~1650℃保温15~60小时，即得到石榴石结构低介电透明er0.065gd2.935al3ga2o12微波陶瓷。

制备的er0.065gd2.935al3ga2o12微波陶瓷经微波介电性能测试结果如下：

er0.065gd2.935al3ga2o12烧结温度在1625℃下保温时间分别为15、30、45、60小时的样品如图9所示，样品具有一定的透明特征。