专利名称：La<sup>3+</sup>掺杂(Pb<sub>1-x</sub>Ca<sub>x</sub>)(Fe<sub>0.5</sub>Nb<sub>0.5</sub>)O<sub>3</sub>微波介质陶瓷材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种La"掺杂(Pb,—xCax)(Feo.sNbo.5)03(PCFN)微波介质陶瓷材料及其制备方法，属特种陶瓷材料制备工艺技术领域。
背景技术：
微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。它是近四十年才迅速发展起来的一类新型功能电子陶瓷。它以其优异的微波介电性能在微波电路系统中发挥着介质隔离、介质波导以及介质谐振等一系列电路功能，促成了微波电路的小型化、集成化和高品质化。被用于微波电路中的结构件(如微波集成电路基片，微波元器件的支撑架等)和功能器件(介质谐振器，微波电容器，介质天线，微波集成电路基片等)。
目前，微波介质陶瓷向着高介电常数类陶瓷材料方向发展，高介电常数的微波介质陶瓷通常是指介电常数sr大于80，而品质因子Q-2 5xlO、在l 3GHz)的微波介电陶瓷材料，它们主要在低频的民用移动通讯系统中作为介质谐振器件。近年来，移动通信和便携式终端正向着小型化、轻量化、集成化、高可靠性方向发展。这对以此类微波介质陶瓷为基础的微波电路元器件提出更高的要求。为满足移动通信设备小型化和高性能化的需要，作为上述器件的高介电常数类微波介质陶瓷不仅要具有高介电常数Sr和较小的频率温度系数TCF，而且其品质因子Q值也必须较大。这是因为高的介电常数可减少谐振器尺寸，接近于Oppm/'C频率温度系数TCF可保证稳定性，而高品质因子Q可保证优良的选频性。
目前研究的高介电常数类微波陶瓷材料主要包括BaO-Ln203-Ti02系、CaO-Li20-Ln203-Ti02系和(Cai-xLn2x/3)Ti03系、铅基钙铁矿系列等。
在Pb系铁电陶瓷Pb(Fea5Nba5)03中用Ca&取代A位的PP+后具有良好的微波介电性能。Pb系钙钛矿结构陶瓷通常具有高于90的介电常数sr，高的品质因子Qf值和小的谐振频率温度系数TCF。在(Ph—xCax)(Feo.5Nba5)03系统中，当x=0.5 0.6时，其具有良好的微波介电性能er=80 104， Qf=3920 61124 GHz和TCF介于士26xlO-VC之间。如此优良的介电性能有利于移动通信系统中介质谐振器件的小型化，但是对于实现介质谐振器件的高性能化来说，其品质因子Qf值仍是相对较低。B位用T产或Sn"取代(Fe，Nb)^能够改善它的介电性能，在(PbhCax)[(Feo.5Nba5;h.yTiy]03系统中，当yi.05 0.1，其具有良好的微波介电性能￡<>95，Qf>6000 GHz和TCF在10xl0力'C以下。但当其介电常数大于100时，Qf值又相对较低，而当Qf值较高时，介电常数通常低于100。这样就很难同时实现介质谐振器件的小型化和高性能化。
3基于上述关于Pb系铁电陶瓷的研究，为改善PCFN微波陶瓷的介电性能，提高其相对较低的品质因子Qf值，加速移动通信系统中介质谐振器件的高性能化和小型化过程，本专利提出一种在PCFN陶瓷体系中掺杂少量La"作为施主添加剂的方法，制备出同时具有较高的介电常数er和较大品质因子Qf值的微波介质陶瓷。
发明内容
本发明的目的是提供一种在PCFN陶瓷中掺杂少量L^+作为施主添加剂的方法制备出同时具有高介电常数Sr和较大品质因子Qf值的微波介质陶瓷材料。
本发明一种L^+掺杂(PbpxCax)(Fe().5Nba5)03微波介质陶瓷材料的组分及其摩尔质量百分含量如下
化学式La3+掺杂(Pb^xCax)(Feo.5Nbo.5)03中，x=0.5 0.6;
Fe203 16.67 at%，
Nb205 16.67 at.%，
PbO 26.66 33.33 at.%，
CaC0333.33 40.00 at.%;
La203额外掺杂量 0.34 at.%;
La203为施主添加剂。
本发明一种LaS+掺杂(Pbi-xCax)(Fea5Nba5)03微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤
a. 采用高纯99.99%的PbO、 99.99%的La203、 99.99%的CaC03、 99.99%的Fe203、 99.99%的Nb20s粉体为原料，以PbO、 CaC03、 Fe203和Nb20s为基体材料，La203为掺杂材料；配方以PbO、 CaC03、 Fe203和Nb205的总的摩尔量为100作为计量基准，四者的质量配比按化学分子式(Pb^Cax)(Feo.5Nbo.5)03为依据，式中的x=0.5 0.6，各成分的摩尔百分比为Fe203的组分为16.67 at.%，Nb205的组分为16.67 at.。/。，PbO的组分为26.66 33.33 at°/0，CaC03的组分为33.33 40at.%;除外，La203的额外掺杂量为0.34 at.%，其中所述1^203为施主添加剂；
b. 将按上述配方配制好的基体材料和掺杂材料进行搅拌混和，在蒸馏水中,混磨24小时；
c. 随后把粉料进行烘干，在900'C温度下合成4小时，合成好的粉料在蒸馏水中再球磨24小时;
d. 干燥后粉料用等静压法在145MPa的压力下制备成直径10mm，高度5 6mm的圆柱体；
e. 将上述试样放在马弗炉中进行烧结，烧结温度范围为1120 1130'C，烧结时间为3小时，最终获得致密的1^3+掺杂PCFN微波介质陶瓷。本发明的优点和特点如下所述
本发明用高纯原料，采用陶瓷工艺制备出了L^+掺杂PCFN微波介质陶瓷材料，其性能经测试同时具有高的介电常数&和品质因子Qf值。本发明的材料制备工艺简单，制造成本低，有利于工业规模化生产。
具体实施例方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。实施例l
本实施例的过程和步骤叙述如下
a. 采用高纯99.99。/o的PbO、 99.99%的La203、 99.99%的CaC03、 99.99%的Fe203、 99.99%的Nb20s粉体为原料，以PbO、 CaC03、 Fe203和1^>205为基体材料，以1^203为掺杂材料；配方以PbO、 CaC03、 Fe203和Nb205的总的摩尔量为100作为计量基准，四者的质量配比按化学分子式(Pb^Cax)(Feo.5Nbo.5)03为依据，式中的x=0.5，各成分的摩尔百分比为Fe203的组分为16.67 at.%， Nb205的组分为16.67 at.%， PbO的组分为33.33 at.%，CaC03的组分为33.33 at.%; La203的额外惨杂量为0.34 at.%，其中La203为施主添加剂；
b. 将按上述配方配制好的基体材料和掺杂材料进行搅拌混和，在蒸馏水中，用Zr02球混磨24小时；
c. 随后把粉料进行烘干，在900 'C温度下合成4小时，合成好的粉料在蒸馏水中再球磨24小时；
d. 干燥后粉料用等静压法在H5MPa的压力下制备成直径10mm，高度5 6mm的圆柱体；
e. 将上述试样放在马弗炉中进行烧结，烧结温度为1125 °C，烧结时间为3小时，最终获得致密的La^掺杂PCFN微波介质陶瓷。
实施例2
本实施例的制备工艺步骤与上述实施例1相同。所不同的是(Pb"xCax)(Feo.5Nbo.5)03式中的x=0.525，各成分的摩尔百分比为Fe203的组分为16.67 at.%，Nb205的组分为16.67 at.%，PbO的组分为31.66 at.%， CaC03的组分为35.00 at.%; La203的掺杂量为0.34 at.%;烧结温度为1125t,烧结时间为3小时，最终获得致密的L^+掺杂PCFN微波介质陶瓷。实施例3
本实施例的制备工艺步骤与上述实施例1相同。所不同的是(Pb"xCax)(Feo.5Nbo.5)03式中的xi.55，各成分的摩尔百分比为Fe203的组分为16.67 at.%， Nb205的组分为16.67 at.%,PbO的组分为29.99 at%， CaC03的组分为36.67 at%; La203的掺杂量为0.34 at.%;烧结温度为1125'C，烧结时间为3小时，最终获得致密的L^+掺杂PCFN微波介质陶瓷。实施例4
本实施例的制备工艺步骤与上述实施例1相同。所不同的是(Pb^Cax)(Feo.5Nb().5)03式中的x=0.575，各成分的摩尔百分比为Fe203的组分为16.67 at.%，Nb205的组分为16.67 at.%，PbO的组分为28.33 at.%， CaC03的组分为38.33 at.%; La203的掺杂量为0.34 at%;烧结温度为1125'C，烧结时间为3小时，最终获得致密的L^+掺杂PCFN微波介质陶瓷。实施例5
本实施例的制备工艺步骤与上述实施例1相同。所不同的是(Pbi—xCax)(Feo.5Nba5)03式中的xi.6，各成分的摩尔百分比为Fe203的组分为16.67 at%， Nb205的组分为16.67 at%，PbO的组分为26.66 at.%， CaC03的组分为40 at.%; La203的掺杂量为0.34 at.%;烧结温度为1125°C，烧结时间为3小时，最终获得致密的La^掺杂PCFN微波介质陶瓷。
本发明通过向PCFN陶瓷中掺杂La3+，并改变Ca的置换量，得到了介电性能良好的La3+掺杂PCFN微波介质陶瓷。由上述实例制备的La^掺杂PCFN微波介质陶瓷的介电常数&和Qf值采用Hakki - Coleman法的TE011模在5 6 GHz频率下测定。TCF采用腔体法在25 80。C下测定。对于己有研究的未掺杂PCFN微波介质陶瓷，在乂=0.5 0.6，其具有介电性能sr=80 104, Qf=3920 6112GHz， TCF在±26 ppm/。C之间。而本发明在向PCFN陶瓷中掺杂1^3+后，在相同的范围^0.5 0.6，其微波介电常数^和品质因子Qf值同时得到提高，分别为e产85 111， Qf=5717 7033 GHz，频率温度系数TCF也变得更小，在±11 ppm/。C之间。这说明在掺杂1^3+后，PCFN陶瓷的介电性能得到改善，尤其是品质因子Q得到显著的提高。因此，La"掺杂PCFN微波陶瓷能够更好的适应应用化的要求，减小介质谐振腔的尺寸和损耗，加速移动通信的高性能和小型化过程。
权利要求
1.一种La3+掺杂(Pb1-xCax)(Fe0.5Nb0.5)O3微波介质陶瓷材料的组分及其摩尔质量百分含量如下化学式La3+掺杂(Pb1-xCax)(Fe0.5Nb0.5)O3中，x＝0.5～0.6；Fe2O3 16.67at.％，Nb2O5 16.67at.％，PbO26.66～33.33at.％，CaCO3 33.33～40.00at.％；La2O3额外掺杂量0.34at.％；La2O3为施主添加剂。
2. —种La^掺杂(Pb^Cax)(Feo.5Nba5)03微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于是有以下的制备过程和步骤a. 采用高纯99.99%的PbO、 99.99%的La203、 99.99%的CaC03、 99.99%的Fe203、 99.99%的Nb;s05粉体为原料，以PbO、 CaC03、 Fe203和1^205为基体材料，La203为掺杂材料；配方以PbO、 CaC03、 Fe203和Nb205的总的摩尔量为100作为计量基准，四者的质量配比按化学分子式(Pbi-xCax)(Feo5Nba5)03为依据，式中的x=0.5 0.6,各成分的摩尔百分比为Fe203的组分为16.67 at.%, Nb205的组分为16.67 at.%， PbO的组分为26.66 33.33 at°/。， CaC03的组分为33.33 40at.%;除外，La203的额外掺杂量为0.34 at.%，其中所述La203为施主添加剂；b. 将按上述配方配制好的基体材料和掺杂材料进行搅拌混和，在蒸馏水中,混磨24小时；c. 随后把粉料进行烘干，在90(TC温度下合成4小时，合成好的粉料在蒸馏水中再球磨24小时；d. 干燥后粉料用等静压法在145 MPa的压力下制备成直径10mm，高度5 6mm的圆柱体；e. 将上述试样放在马弗炉中进行烧结，烧结温度范围为1120 1130'G:烧结时间为3小时，最终获得致密的La"掺杂PCFN微波介质陶瓷。
全文摘要
本发明涉及一种La<sup>3+</sup>掺杂(Pb<sub>1-x</sub>Ca<sub>x</sub>)(Fe<sub>0.5</sub>Nb<sub>0.5</sub>)O<sub>3</sub>(PCFN)微波介质陶瓷材料及其制备方法，属特种陶瓷材料制备工艺技术领域。本发明采用高纯99.99％的PbO、La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、CaCO<sub>3</sub>、Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>粉体为原料，以PbO、CaCO<sub>3</sub>、Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>为基体材料，以La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>为掺杂材料。配方以PbO、CaCO<sub>3</sub>、Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>的总的摩尔量为100作为计量基准，四者的质量配比按化学分子式(Pb<sub>1-x</sub>Ca<sub>x</sub>)(Fe<sub>0.5</sub>Nb<sub>0.5</sub>)O<sub>3</sub>为依据，式中的x＝0.5～0.6。按上述配方配制配合料，另外再加入少量La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>，将混合料进行搅拌混和，在蒸馏水中混磨24小时，随后烘干后在900℃温度下合成4小时，之后再球磨24小时；然后用等静压法压制成坯体；将其放在马弗炉中进行烧结，烧结温度为1120～1130℃，时间为3小时，最终得到La<sup>3+</sup>掺杂PCFN微波介质陶瓷。
文档编号H01B3/12GK101671164SQ20091019652
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者张浩佳, 杨秋红, 江永长, 陆神洲, 莹 顾 申请人:上海大学