一种高品质因数微波介质陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明涉及微波介质材料领域，尤其涉及一种高品质因数微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

5g，即第五代移动通信技术，是新一代信息技术的发展方向和数字经济的重要基础。2019年6月6日，工信部向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了5g商用牌照，我国正式进入5g商用元年。5g技术变革带来射频前端市场规模的快速发展，使得介质滤波器、阵列天线等射频器件的用量大幅增加。与4g网络相比，5g具有低时延、高可靠性、超低功耗、网络容量大等优点，并且峰值速率提升20倍。设备小型化、低功耗、高可靠性对介质滤波器的核心材料提出了更严格的要求，因此，具备稳定可靠的介电常数εr、低损耗高品质因数qf和接近零的谐振频率温度系数τf的微波介质陶瓷成为当下研究的热点。

偏钛酸镁mgtio3拥有铁钛矿结构，烧结温度在1400℃以上，拥有较好的微波介电性能：εr≈17，qf≈160000ghz，τf≈-50ppm/℃，钙钛矿结构catio3：εr≈160，qf≈7000ghz，τf≈+850ppm/℃，其烧结温度1400℃左右。根据两相陶瓷复合其频率温度系数符合对数法则，通常在mgtio3中可以添加具有正谐振频率温度系数的catio3来补偿谐振频率温度系数，来保证微波器件的温度稳定性，从而满足电子线路的实际需求。在专利us5340784中公开了一种mgtio3-catio3微波介质陶瓷，烧结温度1300～1425℃，εr≈18～22，qf≈18000～28000ghz，其qf较低，烧结温度偏高。中国专利cn103641469发明了一种mgtio3、catio3低损耗陶瓷，烧结温度1320～1380℃，εr≈9～20，qf≈65000～85000ghz，τf≈±10ppm/℃，烧结温度偏高，烧结成本较高。

为了解决上述问题，当前迫切需要开发一种工艺简单、重现性好、材料成本低、烧结温度低，同时满足低损耗更高品质因数特性的微波介质陶瓷，以满足新一代移动通讯技术对微波介质陶瓷材料的需求。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了提供一种介电常数18～22，品质因数为90000～100000ghz，谐振频率温度系数为±8ppm/℃的微波介质陶瓷材料，以满足介质滤波器等微波元器件对高品质因数、高可靠性微波介质陶瓷材料的需求。本发明的另外一个目的是提供上述微波介质陶瓷材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种高品质因数微波介质陶瓷材料，包括按以下配方表达式的原料：(1-x)(mg1-y,zn)tio3+xcatio3+awt％mg2sio4+bwt％mo；

其中，0.03≤x≤0.08，0.05≤y≤0.3，0≤a≤15，0≤b≤3；所述a和b分别为所述mg2sio4和mo占(1-x)(mg1-y,zn)tio3+xcatio3的质量百分数；mo为金属氧化物。

作为本发明的一种优选方案，所述mo为金属氧化物mno2、al2o3、ceo2和nb2o5中的一种或多种。

作为本发明的一种优选方案，所述微波介质陶瓷材料的配方表达式中，0.04≤x≤0.07，0.05≤y≤0.2，0≤a≤10，0≤b≤2。

一种高品质因数微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，合成mg2sio4；将分析纯mgco3和sio2按照mg2sio4的化学计量比进行配料，形成第一配料，在卧式球磨机中磨合烘干后，煅烧合成mg2sio4；

步骤2，预烧合成料；将分析纯mgco3、caco3、tio2和zno按化学式(1-x)(mg1-y,zn)tio3+xcatio3进行称量，并加入上述微波介质陶瓷材料的原料比例的金属氧化物mo及步骤1中合成的mg2sio4，形成第二配料，在卧式球磨机中磨合烘干后，在1000℃～1200℃大气气氛中煅烧4-6小时，得到预烧合成料；

步骤3，烧结成品；将步骤2中的所述预烧合成料进行粉碎，加入胶水造粒，然后压制成型，在1200～1300℃烧结，保温3～5小时，得到所述微波介质陶瓷材料的成品。

作为上述制备方法的优选方案，步骤1中，配制成所述第一配料后，并按所述第一配料：去离子水：氧化锆球重量比为1：(2～3)：(3～4)的比例，在卧式球磨机中混合20～24小时，混合后的浆料在120～150℃烘干后，过40目筛，装入氧化铝坩埚，在1150℃～1250℃大气气氛中煅烧4～6小时，合成mg2sio4料。

作为上述制备方法的优选方案，步骤2中，配制成所述第二配料后，并按所述第二配料：去离子水：氧化锆球重量比为1：(2～3)：(3～4)的比例，在卧式球磨机中混合20～24小时，混合后的浆料在120～150℃烘干后，过40目筛，装入氧化铝坩埚，在1050℃～1150℃大气气氛中煅烧4～6小时，得到预烧合成料。

作为上述制备方法的优选方案，步骤3中，将所述预烧合成料：去离子水：氧化锆球重量比为1：(0.8～1.2)：(3～4)的比例，在立式搅拌机中粉碎4～5小时，加入8～12％浓度为10％的聚乙烯醇胶水进行造粒，造粒尺寸控制在80～150目，并在80～120mpa压力下压制成直径10mm，高度5mm的圆块，在1220～1280℃烧结，保温3～5小时，得到所述微波介质陶瓷材料的成品。

在上述的制备方法中，本发明通过zno部分取代mgo，在保证材料品质因数不下降的情况下有效地降低了烧结温度；通过添加一定量的高品质因数材料mg2sio4，可有效提高材料的品质因数；金属氧化物mo的适量引入可以降低材料的气孔率，提高材料的致密性，提高材料品质因数，降低烧结温度。最终得到介电常数为18～22，品质因数为90000～100000ghz，谐振频率温度系数在±8ppm/℃的微波介质陶瓷材料。

通过上述技术方案，本发明技术方案的有益效果是：

(1)材料体系烧结温度较低，在1300℃以下，烧结成本低，具有节能优势；

(2)材料不含重金属元素，符合环保要求，生产工艺简单、重现性好、成本低；

(3)材料品质因数更高，谐振频率温度系数更小，满足介质滤波器等微波元器件对高品质因数、高可靠性微波介质陶瓷材料的需求，可以用与制备新一代移动通讯用介质波导滤波器，具有极大的工业应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中编号5的微波介质陶瓷材料的背散射扫描电镜照图。

图2为图1中1#晶粒的能谱分析结果图。

图3为图1中2#晶粒的能谱分析结果图。

图4为图1中3#晶粒的能谱分析结果图。

图5为图1中4#晶粒的能谱分析结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

制备高品质因数微波介质陶瓷材料，具体通过以下方法。

该微波介质陶瓷材料按以下配方表达式的原料：(1-x)(mg1-y,zn)tio3+xcatio3+awt％mg2sio4+bwt％mo；

其中，0.03≤x≤0.08，0.05≤y≤0.3，0≤a≤15，0≤b≤3；所述a和b分别为所述mg2sio4和mo占(1-x)(mg1-y,zn)tio3+xcatio3的质量百分数；mo为金属氧化物，优选的为金属氧化物mno2、al2o3、ceo2和nb2o5中的一种或多种。

制备过程具体操作如下：

步骤1，合成mg2sio4；将分析纯mgco3和sio2按照mg2sio4的化学计量比进行配料，形成第一配料，并按所述第一配料：去离子水：氧化锆球重量比为1：(2～3)：(3～4)的比例，在卧式球磨机中混合20～24小时，混合后的浆料在120～150℃烘干后，过40目筛，装入氧化铝坩埚，在1150℃～1250℃大气气氛中煅烧4～6小时，合成mg2sio4料。

步骤2，预烧合成料；将分析纯mgco3、caco3、tio2和zno按化学式(1-x)(mg1-y,zn)tio3+xcatio3进行称量，并按比例加入金属氧化物mo及步骤1中合成的mg2sio4，形成第二配料，配制成所述第二配料后，并按所述第二配料：去离子水：氧化锆球重量比为1：(2～3)：(3～4)的比例，在卧式球磨机中混合20～24小时，混合后的浆料在120～150℃烘干后，过40目筛，装入氧化铝坩埚，在1000℃～1200℃大气气氛中煅烧4～6小时，优选控制在1050℃～1150℃，得到预烧合成料。

步骤3，烧结成品；将所述预烧合成料：去离子水：氧化锆球重量比为1：(0.8～1.2)：(3～4)的比例，在立式搅拌机中粉碎4～5小时，加入8～12％浓度为10％的聚乙烯醇胶水进行造粒，造粒尺寸控制在80～150目，并在80～120mpa压力下压制成直径10mm，高度5mm的圆块，在1200～1300℃烧结，保温3～5小时，优选控制在1220～1280℃，得到所述微波介质陶瓷材料的成品。

通过上述的制备方法，调整不同的配方和工艺参数，生产编号从1-10的10组微波介质陶瓷材料。

具体的原料配方及工艺参数和微波介质陶瓷材料的性能详见表1和表2。

表1为配方组成

表2为步骤3的烧结条件及介电性能

介电性能测试采用keysighte5071c网络分析仪，根据hakki-coleman谐振腔法测定介电常数εr和qf，谐振频率温度系数τf在-40℃～110℃温度范围内测定，并由公式τf＝(f110-f-40)/(f-40×150)计算，其中f110和f-40分别是110℃和-40℃下的谐振中心频率。从表2中可以看出在较低的烧结温度下，本发明的微波介质陶瓷材料具有良好的介电性能。

选取编号5的微波介质陶瓷材料通过扫描电子显微镜拍摄其表面微观形貌图，见图1。从图中可以看出，晶粒排列紧密，气孔较少，符合高品质因数qf材料瓷体致密的特征。同时对图1中的不同大小、不同颜色的晶粒进行能谱分析，图1中的1#晶粒主要成分(mg,zn)tio3，详见图2。2#晶粒主要成分catio3，详见图3。3#和4#晶粒主要成分mg2sio4，详见图4和图5。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。