一种超低介电损耗钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法与流程

本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组分，特别涉及了一种具有特定排蜡工艺和烧结工艺、最后获得具有超低介电损耗的钙镁硅系微波介电陶瓷的制备方法。

背景技术：

微波介质陶瓷作为一种新型的功能陶瓷，在谐振器、滤波器、介质天线等微波器件中得到了广泛应用。随着现在通信技术的飞速发展，对信息交换的需求也在迅速增加，这就要求信息的传输速率越来越高。介电材料的信号传播速度v和介电常数εr之间满足关系式：v＝c/εr^0.5，信号传输延迟时间td和介电常数εr之间满足关系式：td＝εr^0.5l/c。为了减少信号传输过程中的信号延迟，提高信息传输速率，作为微波电路中为其它元器件提供支撑的基板材料，就要求具有非常低的介电常数，这样可以减小基板与电极之间的交互耦合，进而提高电信号的传输速率，同时，基板材料的介电损耗越低，信号在传输过程中越不容易损失。因此，具有低介电损耗的低介电常数微波介质陶瓷材料越来越受到人们的关注。

硅酸盐系微波陶瓷由于具有正四面体([sio4]^4-)的框架结构，在此框架结构中，离子键占45％，共价键占55％，受强度大的共价键的影响，材料的介电常数比其他陶瓷体系都低，因而引起了大家广泛的研究。钙镁硅系陶瓷就是硅酸盐系微波陶瓷的一种。ca2mgsi2o7首次是通过掺杂稀土离子来改善其荧光粉特性进行研究的，其作为硅酸盐材料的介电性能在2014年首次报道，在1280℃烧结时其微波介电性能为介电常数(εr)为7.6,介电损耗tanδ为2.5×10^-3。不同排蜡时间对陶瓷的形貌有很大的影响，最佳的排蜡保温时间可以使得陶瓷微观形貌致密，气孔较少。为此，在本发明中采用优化的固相法来制备钙镁硅微波介质陶瓷，测量了不同排蜡保温时间(90-300min)下的介电损耗值，最终确定最佳的排蜡保温时间，使得介电损耗降低了一个数量级，为1.24×10^-4，最终获得了具有很低介电损耗的微波性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有超低介电损耗和低介电常数的微波介质陶瓷的制备方法。

为了达到上述的目的，本发明采取以下技术方案：

一种超低介电损耗的钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)将caco3、mgo、sio2作为原料，按化学式ca2mgsi2o7进行配料，将粉料放入球磨罐中，加入去离子水及氧化锆球，球磨8小时；

(2)将步骤(1)球磨后的原料置于110℃烘干，待原料烘干后过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

(3)将步骤(2)得到的混合均匀的粉料装入坩埚后在1200℃下预烧4小时；

(4)在步骤(3)预烧后的粉料放入球磨罐中，加入去离子水与氧化锆球，二次球磨8小时，并于110℃温度烘干；烘干后在粉料中外加粉料15％重量百分比的石蜡进行造粒，过60目筛，再压制成坯体；

(5)将步骤(4)得到的坯体以5℃/min的速率升温至550℃，然后在550℃下保温90-300min排蜡，之后以5℃/min的速率升温至1260～1320℃烧结，保温4小时，制得超低介电损耗的钙镁硅系微波介质陶瓷。

所述微波介质陶瓷的组成为ca2mgsi2o7，所述微波介质陶瓷在微波频段下，介电损耗为1.24×10^-4，品质因数为8015.94ghz，介电常数为9.8641，谐振频率温度系数为-42.105ppm/℃。

所述步骤(1)的caco3、mgo、sio2原料的质量纯度均大于99.9％。

所述步骤(1)、步骤(4)的球磨机均为行星式球磨机。

所述步骤(4)采用粉末压片机压制成坯体，压力为6mpa。

所述步骤(4)的坯体为直径15mm，厚度7.5mm的圆柱体。

所述步骤(5)排蜡温度为550℃，保温时间为3h，烧结温度为1300℃。

利用网络分析仪及相关测试夹具测试所得微波介质陶瓷的微波特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明在现有技术的基础上，以caco3、mgo、sio2为原料，通过改进的固相陶瓷工艺，在所述步骤(5)将步骤(4)得到的坯体先以5℃/min的速率升温至550℃，在550℃下保温3h排蜡，然后再以5℃/min速率升到1300℃烧结4小时，相比于传统的固相陶瓷工艺，增加在550℃下保温3h这一过程，极大的提升陶瓷粉体的润湿特性，成功地获得了具有低介电损耗低介电常数的微波性能的微波介质陶瓷。在微波频段下，其损耗低至1.24×10^-4，品质因数为8015.94ghz，介电常数为9.8641，谐振频率温度系数为-42.105ppm/℃。相比于文献中报道的介电常数(εr)为7.6，介电损耗tanδ为2.5×10^-3，介电损耗降低了一个数量级为1.24×10^-4，具有较优异的微波介电性能，可应用于微波电路介质基板材料中。此外，本发明的制备工艺简单，过程无污染，微波介电性能优异，是一种很有前途的低介微波介质材料。

附图说明

图1为ca2mgsi2o7微波介质陶瓷在不同烧结温度下的相对密度变化图；

图2为ca2mgsi2o7微波介质陶瓷在不同烧结温度下的xrd衍射图；

图3为ca2mgsi2o7微波介质陶瓷在不同烧结温度下的微观形貌图，其中，a为1260℃，b为1280℃，c为1300℃，d为1320℃；

图4为ca2mgsi2o7微波介质陶瓷在不同烧结温度下介电损耗值变化图。

具体实施方式

以下具体实施例是对本发明提供的方法与技术方案的进一步说明，但不应理解成对本发明的限制。

本发明采用纯度大于99.9％的化学原料caco3、mgo、sio2，制备ca2mgsi2o7微波介质陶瓷。具体实施例如下。

实施例1

一种超低介电损耗钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)依照微波介质陶瓷组分ca2mgsi2o7，以原材料总量20克为例，分别称取11.1004gcaco3、2.2353gmgo、6.6643gsio2配料；混合粉料加入到球磨罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨8小时，球磨机转速为1000转/分；

(2)将球磨后的原料置于110℃温度条件下烘干，过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

(3)将上述粉料置于氧化铝坩埚内在1200℃预烧4小时；

(4)将煅烧后的粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，二次球磨8小时，出料后在110℃温度条件下烘干，然后加入粉料15％重量百分比的石蜡进行造粒，并过60目筛；再用粉末压片机以6mpa的压力压成直径为15mm，厚度为7.5mm的坯体；

(5)将坯体以5℃/min的速率升温至550℃，在550℃下保温90min，之后以5℃/min的速率升温至1300℃烧结，保温4小时，制得钙镁硅系微波介质陶瓷。

实施例2

一种超低介电损耗钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法，其基本步骤与实施例1基本相同，不同的是步骤(5)在550℃下保温180min，之后步骤与实施例1相同。

实施例3

一种超低介电损耗钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法，其基本步骤与实施例1基本相同，不同的是步骤(5)在550℃下保温300min，之后步骤与实施例1相同。

实施例4

一种超低介电损耗钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法，其基本步骤与实施例1基本相同，不同的是步骤(5)在550℃下保温180min，然后之后以5℃/min的速率升温至1260℃烧结，保温4小时，之后步骤与实施例1相同。

实施例5

一种超低介电损耗钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法，其基本步骤与实施例1基本相同，不同的是步骤(5)在550℃下保温180min，然后以5℃/min的速率升温至1280℃烧结，保温4小时，之后步骤与实施例1相同。

实施例6

一种超低介电损耗钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法，其基本步骤与实施例1基本相同，不同的是步骤(5)在550℃下保温180min，然后以5℃/min的速率升温至1300℃烧结，保温4小时，之后步骤与实施例1相同。

实施例7

一种超低介电损耗钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法，其基本步骤与实施例1基本相同，不同的是步骤(5)在550℃下保温180min，然后以5℃/min的速率升温至1320℃，保温4小时，之后步骤与实施例1相同。

对比例

一种钙镁硅系微波介质陶瓷的制备方法，其基本步骤与实施例1基本相同，不同的是步骤(5)将坯体以2℃/min的速率升温至550℃，，之后以5℃/min的速率升温至1300℃烧结，保温4小时，制得钙镁硅系微波介质陶瓷。

本发明具体实施例的检测方法如下：

1.样品的直径和厚度使用千分尺进行测量。

2.介电损耗用一种高精度lcr测量仪(agilente4981a,usa)在1mhz的频率下测量。借助agilent8720es网络分析仪，采用开式腔平行板法测量所制备圆柱形陶瓷材料的介电常数，将测试夹具放入especmc-710f型高低温循环温箱进行谐振频率温度系数的测量，温度范围为25-85℃测试频率在6-15ghz范围内。

3.采用闭式腔法测量所制备圆柱形陶瓷样品的品质因数，测试频率在5-15ghz范围内。

本发明具体实施例的各项关键参数及介电性能检测结果详见表1。

表1介电性能表

由表1可知，相比于传统的固相陶瓷工艺，增加在550℃下保温3h这一过程，极大的提升陶瓷粉体的润湿特性，成功地获得了具有低介电损耗低介电常数的微波性能的微波介质陶瓷。在550℃下保温3h,于1300℃下烧结微波介电性能最优，介电损耗tanδ值可达到1.24×10^-4，品质因数为8015.94ghz，介电常数为9.8641，谐振频率温度系数为-42.105ppm/℃。相比于对比例介电常数εr为7.6，介电损耗tanδ为2.5×10^-3，介电损耗降低了一个数量级。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护范围内。