一种Co-Sn-Ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明属于电子陶瓷及其制造领域，具体涉及一种co-sn-ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法，材料结构为trirutile相。

背景技术：

微波通信作为现代电子通信的重要传输形式，在移动通讯、军用雷达，卫星、广播等方面均具有广泛的应用。微波设备诸如谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件的需求也日益增加。微波介质陶瓷制作的谐振器与微波管、微带线等构成的微波混合集成电路，可使器件尺寸达到毫米量级，这就使微波陶瓷成为实现微波控制功能的基础和关键材料。微波介质陶瓷应具有适中的介电常数，高的品质因数q×f值，以及近零的谐振频率温度稳定系数τf值。其中，介质陶瓷为了能够实际应用，近零的τf值是十分关键的。

trirutile相微波介质陶瓷cota2o6具有适中的介电常数：εr＝29、q×f＝2300ghz、τf＝23ppm/℃。但其烧结致密化所需温度达到1500℃，极大的限制了其应用。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，为解决现有trirutile相微波介质陶瓷温度稳定性以及烧结温度不佳的问题，本发明提供了一种co-sn-ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法，其材料结构为trirutile相。

本发明提供的co-sn-ta基微波介质陶瓷材料，为co0.5sn0.5tao4微波介质陶瓷材料，具有trirutile相晶体结构，预烧温度850℃-1000℃，烧结温度适中(1250-1350℃)，介电常数较低(15-20)，损耗介于4.81×10^-4-6.02×10^-4，谐振频率温度稳定系数近零(-2.65～-0.59ppm/℃)。其原料组成为co2o3、sno2和ta2o5，化学通式co0.5sn0.5tao4，通过固相法制得。

其制备方法具体如下：

步骤1：将氧化钴(co2o3)、氧化锡(sno2)和氧化钽(ta2o5)的原始粉末按照化学通式co0.5sn0.5tao4配料。

步骤2：将步骤1所得配料：氧化锆球：去离子水，以质量比1:4-6:3-6配比，行星球磨6-8小时，然后在80℃-120℃下烘干，再以60-200目筛网过筛，最后在850℃-1000℃大气氛围中预烧3-5小时合成主晶相co0.5sn0.5tao4；

步骤3：将步骤2所得粉料按照粉料：氧化锆球：去离子水质量比1:3-5:2-4，行星球磨混合4-6小时，然后在80℃-100℃下烘干，烘干后添加质量百分比为2～5％的pva溶液作为粘结剂造粒，压制成型，最后在1250℃-1350℃大气气氛中烧结4-6小时，制成co0.5sn0.5tao4微波介质陶瓷材料。

本发明对cota2o6从原料上引入sno2，考虑sn⁴⁺离子与co²⁺及ta⁵⁺离子具有相近的离子半径，从而使得晶体结构上，sn⁴⁺离子能够进入格点位置，形成固溶体。利用该固溶体的形成温度较低(预烧温度为850℃即可形成晶相结构)，并且由于sn⁴⁺离子的引入，最终制备的材料体系谐振频率温度稳定系数近零(-2.65～-0.59ppm/℃)，具有较高的温度稳定性，且烧结温度1250-1350℃低于cota2o6陶瓷的1500℃。

附图说明

图1为实施例1-5的xrd图；

图2a-e依次为实施例1-5的表面形貌sem图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

步骤1、将co2o3、sno2和ta2o5的原始粉末按照化学通式co0.5sn0.5tao4配料。

步骤2、将步骤1所得粉料，按照粉料：氧化锆球：去离子水的质量比1:4:3加入尼龙罐中，行星球磨混合6小时，取出后在100℃下烘干，以200目筛网过筛，后在900℃大气氛围中预烧4小时合成主晶相co0.5sn0.5tao4。

步骤3、将步骤2预烧后所得的粉料按照粉料：氧化锆球：去离子水的质量比1:5:1加入尼龙罐中，行星球磨混合4小时，取出后在100℃下烘干，烘干后添加质量百分比为4％的pva溶液作为粘结剂造粒，然后压制成型，最后在1250-1350℃大气气氛中烧结6小时，制成微波介质陶瓷材料。

图1为实施例1-5的xrd图，其中si峰作为内标法校准实验及仪器误差。在不同的烧结温度下，样品的衍射峰与trirutile相cota2o6卡片(jcpds#32-0314)匹配，说明此时形成了trirutile相固溶体co0.5sn0.5tao4。实际衍射峰峰位存在偏移现象。依据布拉格衍射定律，峰位右移是由于晶胞体积发生变化。相较cota2o6而言，co0.5sn0.5tao4相中sn⁴⁺离子在相同配位数下离子半径与co²⁺及ta⁵⁺离子存在差距，因此晶胞体积发生变化，故衍射峰偏移。

图2a-e依次为实施例1-5的表面形貌sem图。从图a-e可以看出，随着烧结温度的升高，样品气孔减少，致密度提高，晶粒尺寸增加。但烧结温度进一步增加时，从图d可以明显看出此时晶界已经模糊，出现气孔，说明此时已经超过了最佳的烧结温度，样品已经过烧。

实施例的成分和微波介电性能如下

从上表可以看出，实施例1-5的样品烧结后收缩均不明显。随着烧结温度的升高，样品的介电常数呈现出先增加后减小的趋势，结合sem图可以得知，介电常数的提高时由于致密度的增加，而随后样品过烧使介电常数降低。样品的品质因数q×f值呈现出与介电常数一致的变化，说明样品的致密度及烧结状态对体系品质因数q×f值的影响较大。在实施例1-5中均可发现，体系的τf值近零，具有应用前景。

综上可见，本发明提供的co-sn-ta基介质陶瓷材料，具有适中的烧结温度，适中的介电常数、较低的介质损耗以及近零的谐振频率温度稳定系数，性能参数佳；且其制备方法简单，易于工业化生产。

技术特征：

技术总结
本发明属于电子陶瓷及其制造领域，具体涉及一种Co‑Sn‑Ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法。本发明提供的材料晶体结构为Trirutile相，烧结温度1250‑1350℃，介电常数15‑20，损耗介于4.81×10‑4‑6.02×10‑4，谐振频率温度稳定系数‑2.65～‑0.59ppm/℃。将原料Co2O3、SnO2和Ta2O5按化学通式Co0.5Sn0.5TaO4配比，再通过固相法制得。本发明的Co0.5Sn0.5TaO4微波介质陶瓷具有适中的介电常数以及近零的谐振频率温度稳定系数，且烧结温度相对较低；其制备方法简单，易于工业化生产。

技术研发人员：李恩竹;杨鸿宇;杨鸿程;陈亚伟;钟朝位;张树人
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2018.12.14
技术公布日：2019.03.22