一种温度稳定、介电常数可调的微波介质陶瓷及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及介质陶瓷及其制造领域，尤其涉及一种温度稳定、介电常数可调的微 波介质陶瓷及制备方法。
【背景技术】
[0002] 微波介质陶瓷（MicrowaveDielectricCeramics,MWDC)应用于微波频段 (300MHz~300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，在现代通讯中被 广泛用作谐振器、滤波器、介质天线和介质导波回路等元器件，是现代通信技术的关键基础 材料，已在便携式移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接受器和军事雷达等方面有着 十分重要的应用，在现代通讯工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。
[0003] 应用于微波频段的介质陶瓷通常需要满足如下三个条件：（1)适宜的介电常数以 利于器件的小型化（介质元器件的尺寸与介电常数\的平方根成反比）；（2)高的品质因 数Q以降低损耗，一般要求QXf?彡3000GHz(其中f?为谐振频率）；（3)稳定的频率温度系 数，以保证器件的温度稳定性。上世纪70年代以来，开始了大规模的对介质陶瓷材料的开 发工作，根据相对介电常数\的大小与使用频段的不同，通常可将已被开发和正在开发的 微波介质陶瓷分为四类。
[0004] 1、超低介电常数微波介电陶瓷，主要代表是Al2O3-TiO2、Y2BaCu05、MgAl2O4和 Mg2SiO4等，其e#20,品质因数QXf》50000GHz，Tf<l〇ppm/°C。主要用于微波基板 以及高端微波元器件。
[0005] 2、低er和高Q值的微波介电陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta 205, BaO-ZnO-Ta2O5或 BaO-MgO-Nb2O5, BaO-ZnO-Nb2O5系统或它们之间的复合系统MWDC材料。其e 20~35, Q =(1~2) X IO4(在f彡IOGHz下），T产〇。主要应用于f彡8GHz的卫星直播等微波通 信机中作为介质谐振器件。
[0006] 3、中等er和Q值的微波介电陶瓷，主要是以BaTi409、Ba2Ti9O2tl和（Zr、SrOTiO4 等为基的MWDC材料，其er= 35~45,Q= (6~9)X103 (在f= 3~-4GHz下）， T5ppm/°C。主要用于4~8GHz频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐 振器件。
[0007] 4、高e，Q值较低的微波介电陶瓷，主要用于0. 8~4GHz频率范围内民用移动 通讯系统。
[0008] 其中，现有的低\和高Q值的微波介电陶瓷材料均在追求接近于零的频率温度 系数，高的介电常数，高的品质因数，但是在一定频率温度系数范围内，其介电常数不可调 节，然而，随着通信技术向高频发展，如4G已经开始普及，且5G技术也成熟，对于高频下所 需要的介质天线（如GPS、北斗卫星天线）、谐振器和滤波器，则要求高的品质因子，良好的 温度稳定性。另外根据设计的不同，需要构造不同尺寸的介质天线、谐振器和滤波器以满足 不同安装的需求，由于天线、谐振器和滤波器的尺寸大小与介电常数成反比，则需要微波介 质陶瓷的介电常数可调节以期满足需求。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题在于如何克服现有的微波介质陶瓷频率温度系数不 稳定，且介电常数不可调节等的缺陷。
[0010] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种温度稳定、介电常数可调的微波介 质陶瓷，所述微波介质陶瓷的化学式为：（1-n)MgTi^ (Ala5Nba5)x03-nSrTipySiyO3，其中 0? 01 彡n彡 0? 08,0. 01 彡X彡 0? 05,0. 03 彡y彡 0? 06。
[0011] 进一步地，包括以下原料：]\%0、5102、1102、5冗0 3、六1203和恥205。
[0012] 相应地，本发明还提供了一种温度稳定、介电常数可调的微波介质陶瓷制备方法， 包括以下步骤：
[0013]S1、将原料MgO、Si02、Ti02、SrC03、Al2O3和Nb205分别按照化学式为 MgTih(Ala5Nba5)x03和SrTihSiyO^ 组成称量配料，其中 0.01 彡X彡 0.05， 0. 03 <y< 0. 06,将按照所述两种化学式配料的原料混合物分别置入球磨罐中，加入去离 子水和氧化锆球进行球磨混合；
[0014] S2、将球磨后的所述两种原料混合物干燥，再分别将MgTih(Ala5Nba5)凡和 SrIVySiyO^混合原料煅烧，制备得到煅烧料；
[0015] S3、将所述煅烧料按照（I-Ii)MgTih(Ala5Nbtl.OxO3-IiSrIVySiyO^组成进行二次 配料混合，其中0.OKn< 0. 08,加入MnO后置入球磨罐中，加去离子水和氧化锆球进行球 磨混合，制备得到浆料；
[0016] S4、将所述浆料烘干，加入聚乙烯醇溶液作为粘接剂进行造粒；
[0017]S5、以干压成型制备得到素坯，将所述素坯排胶并烧结制备得到微波介质陶瓷。
[0018] 进一步地，所述步骤S5中制备得到素坯后具体包括：
[0019]S501、将所述素坯置入高温炉中梯度缓慢升温进行排胶；
[0020] S502、将排胶后的素坯置于高温炉中梯度缓慢升温，冷却至室温制备得到微波介 质陶瓷。
[0021] 进一步地，所述步骤S501中的梯度缓慢升温过程具体为：以0. 5°C/min的升温速 度升温至l〇〇°C，保温0. 5h，再以1°C/min的升温速度升温至600-700°C，保温6-12h;
[0022] 所述步骤S502中的梯度缓慢升温过程具体为：以2°C/min的升温速度升温至 l〇〇(TC，再以5-10°C/min的升温速度升温至1200°C，再以3-5°C/min的升温速度升温至 1360-1400°C，保温 2-6h。
[0023] 选择梯度缓慢升温的原理主要是：在成型时所引入的粘接剂为有机物，因此在排 胶阶段需要缓慢升温，避免过快升温所导致的有机物分解产生的气体体积急剧增加而导致 成型坯体破损；在烧结时，l〇〇〇°C以下，也是由于坯体对于环境水分的吸收以及排胶过程中 所残留的有机残渣需要在一次缓慢升温以避免陶瓷坯体开裂破损，并且由于有机残渣（通 常该残渣的彻底分解温度在900°C附近）的存在会恶化微波介电性能；而1200°C以上由于 陶瓷坯体开始收缩烧结，为了避免由于升温过快陶瓷颗粒之间的快速粘接影响了坯体中气 体的排出；而在1000-1200°C之间，由于在此温度范围内没有什么相应的物理与化学变化， 从烧成时间和节能的角度，采用相对较快的升温速度。
[0024] 进一步地，步骤S2中将MgTipx (Ala5NbQ. 5)凡和SrTiPySiyO^混合原料煅烧的条 件分别为：
[0025] 将MgTih(Ala5Nba5)xCV混合原料在温度为 1100-1200°C下煅烧 4-8h;
[0026] 将SrTihSiyCV混合料在温度为 1200-1300°C煅烧 3-7h。
[0027] 进一步地，所述步骤S3中加入的MnO的量为：不大于所述煅烧料总量的0. 2wt%。
[0028] 进一步地，所述步骤Sl中的球磨介质为直径为5mm的氧化错球；
[0029] 所述步骤S3中的球磨介质为直径为2mm的氧化错球，球磨条件为在转速为 300_350rpm下球磨 6_8h。
[0030] 其中，在步骤SI中所用为较大直径研磨球，这主要是为了将原料混合均匀，在煅 烧时能合成得到所需要的物料；二次配料所用为较小直径研磨球，主要是要将上述两种煅 烧料研磨得更为细小，并起到混合均匀的作用，便于后期陶瓷的成型和烧结。
[0031] 进一步地，所述步骤S4中造粒具体为：以质量百分数为2. 5-5.Owt%的聚乙稀醇 溶液为粘接剂，在烘干后的浆料中加入所述浆料质量的10_20wt%的聚乙烯醇溶液进行造 粒，并在温度为50-60 °C下干燥4-8h。
[0032] 进一步地，所述步骤S4中将所述浆料烘干的条件为：在温度为80°C下干燥 10-18h；
[0033] 所述步骤S5中干压成型的成型压力为150_200MPa。
[0034] 本发明以MgTiO3为基础材料，采用半导体的电子局域化理论、材料科学中的晶格 畸变效应以及利用温度补偿效应，克服了 181103陶瓷烧结温度窄，在烧结过程中易产生 MgTi2O5杂相以及其负的谐振温度系数等不足，所获得的微波介质陶瓷材料，具有可调介电 常数、良好的温度稳定性以及高品质因子，能应用于高频通信介质天线、介质谐振器和滤波 器的制作。
[0035] 本发明的温度稳定、介电常数可调的微波介质陶瓷及制备方法，具有如下有益效 果：
[0036] 1、由于MgTipx (Ala5NbQ.5)办的谐振频率温度系数为负值，无法彳两足温度稳定性的 要求，因此将具有正温度系数的SrTihSiyC^t为温度补偿剂进行二次配料，极大提高了所 制备的微波介电陶瓷的温度稳定性。
[0037] 2、在二次配料中合理使用MnO克服了高温烧结过程中氧缺失导致的品质因子降 低，提高了微波介质陶瓷的品质因子。
[0038] 3、本发明使用的原材料与最终产物均不含环境有害物质，环保性能好；且本发明 涉及的工艺步骤及相应配方范围较宽，易于生产控制。
[0039] 4、本发明采用梯度缓慢升温使得坯体得到最优的排胶和烧结的处理，排出各种不 良影响因