专利名称：一种中温烧结低损耗微波介质陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种微波元器件的微波介质陶瓷材料及其制备方法。
背景技术：
微波介质陶瓷是指应用于微波(主要是300MHC30GHz频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，主要用于用作谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件，也可用于移动通讯、卫星通讯和军用雷达等方面。微波介质陶瓷是研制各类微波元件和器件的关键材料，在微波电路中主要有如下几个方面的应用(1)用作微波电路的介质谐振器件，完成类似于一般电子电路中LC谐振电路的作用；(2)用作微波电路的介质基板，承担电路元器件及线路的承载、支撑和绝缘的 作用；(3)用作微波电路的电容器，完成电路或元件之间的耦合及储能作用；(4)用作微波电路的介质天线，完成集中吸收储存电磁波能量的作用；(5)用作微波电路的介质波导，完成导引电磁波沿一定方向传播的作用。介质谐振器件是微波介质陶瓷的主要应用领域，也是目前国内外研究的热点和重点。从介质谐振器出发，可以研制一系列为满足微波电路各方面需要的带通(带阻)滤波器、耿氏二极管等稳频振荡器及放大器等介质谐振式选频器件。而且，只有介质谐振器的出现才能排除微波电路小型化与集成化方向上的最大障碍。评价微波介质陶瓷材料，具体的性能要求为(I)较高的相对介电常数ε ρ并且温度稳定性好。考虑到谐振器制备工艺的复杂性，相对介电常数大小一般是按所应用的频率来选择的；⑵保证谐振频率温度系数Tf的值在-5(T+10(TC温度范围内，在30X10_6/°C以内。大的Tf值意味着温度的变化，导致器件的中心频率漂移，无法进行稳定的工作；(3)尽量使用低介电损耗的微波介质材料(tan δ < 10_4)，保证滤波特性及通信质量。微波介质陶瓷材料的制备方法主要有两种固相法和湿化学方法。对于适用于大规模生产的微波介质陶瓷除了需要具有以上所述三点性能要求之夕卜，陶瓷材料本身也需要具备一些重要的要求。比如，用于生产陶瓷的原料应价格低廉，来源充分，对材料的热处理温度要低，以降低生产成本，节约能源。此外，陶瓷材料应有较低的体积密度，可以减轻电子模块的重量，有利于实现微波介质陶瓷的轻质化。本发明旨在获得一种具有优异的综合微波介电性能，并能满足实际生产需要的微波介质陶瓷材料。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前用于微波介质谐振器的微波介质陶瓷材料的不足，提供一种既具有适中的介电常数，又具有低的介电损耗和近零的谐振频率温度系数，且原料低廉，烧结温度较低，适用于微波介质谐振器、滤波器等无线通信元器件的微波介质陶瓷材料。本发明选用具有复杂尖晶石结构的微波介质陶瓷材料Li2MgTi3O8,并对其掺杂微量的Zn元素，得到一种新型微波介质固溶体材料Li2(Mgl_xZnx)Ti308，χ=0. 02、. 08，该固溶体材料具有适中的介电常数，低的介电损耗以及近零的谐振频率温度系数，可作为微波介质谐振器、滤波器等无线通信元器件的关键材料。本发明通过以下技术方案予以实现一种中温烧结低损耗微波介质陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为Li2 (Mgl_xZnx) Ti3O8，式中 x=0. 02 O. 08 ；上述中温烧结低损耗微波介质陶瓷的制备方法，具有如下步骤⑴配料将原料Li2C03、(MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20、ZnO 和 TiO2，按 Li2 (Mgl_xZnx) Ti3O8，式中x=0. 02、. 08的化学计量比配料,于球磨机中球磨,球料水的重量比为2 1 0. 5,球磨时 间为4h，再将原料烘干；⑵合成将步骤(I)烘干后的粉料放入氧化铝坩埚内，加盖密封，于900°C合成4h ；(3)成型及排塑将步骤(2)的合成料再次球磨、烘干，外加5wt°/T7wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒，过筛后在400Mpa的压强下压制成型为坯体；然后以3°C /min的速率将坯体升温至200°C，再以 I. 5°C /min 速率从 200°C升至 400°C，在 400°C保温 30min 后，以 5°C /min 的速率升至650°C并保温lOmin，排出有机物；(4)烧结将步骤(3)排出有机物的坯体采用本体系配方粉料埋烧，以6°C /min速率升温至1025 1125°C，保温4h，随炉冷却；(5)测试微波介电性能。将步骤(4)烧结处理的微波介质陶瓷柱，于室温下静置24h后测试其微波介电性倉泛。所述配方中的X的优选值为O. 06。所述步骤(I)的球磨介质为去离子水和玛瑙球，球磨机的转速为750r/min。所述步骤(3)的聚乙烯醇水溶液的聚乙烯醇含量为7wt%。所述步骤(3)的还体为直径12mm,厚度5. 0mnT6· Omm的圆柱状还体。所述步骤(4)优选的烧结温度1075°C。本发明的有益效果是，通过掺杂改进的Li2 (MghZnx) Ti3O8微波介质陶瓷，提高了其微波性能，er=27. l，QXf=44800GHz，τ f= (+) I. 9ppm/°C。本发明现有技术的一般性能为QXf=42000GHz, τ f= (+) 3. 2ppm/°C。
具体实施例方式本发明采用市售的化学纯原料(纯度> 99%)，为Li2C03、(MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20、ZnO 和 TiO2。本发明具体制备方法如下(I)配料将原料Li2CO3' (MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20、ZnO 和 TiO2,按 Li2 (Mg1^xZnx) Ti3O8 式中x=0. 02、. 08的化学计量比，于球磨中球磨，球料水的重量比为2 :1 :0. 5,球磨时间为4h，再将原料烘干；⑵合成将步骤(I)烘干后的粉料放入氧化铝坩埚内，加盖密封，于900°C合成4h ；(3)成型及排塑将步骤(2)的合成料再次球磨、烘干，外加5wt°/T7wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒，过筛后在400Mpa的压强下压制成型 为坯体；然后以3°C /min的速率将坯体升温至200°C，再以 I. 5°C /min 速率从 200°C升至 400°C，在 400°C保温 30min 后，以 5°C /min 的速率升至650°C并保温lOmin，排出有机物；(4)烧结将步骤(3)排出有机物的坯体采用本体系配方粉料埋烧，以6°C /min速率升温至1025 1125°C，保温4h，随炉冷却；当掺杂量χ=0· 02，烧结温度为 1025°C、1050°C、1075°C、110(TC、1125°C，分别记为实施例 1-1、1-2、1-3、1-4、1-5。当掺杂量χ=0· 04，烧结温度为 1025°C、1050°C、1075°C、110(TC、1125°C，分别记为实施例 2-1、2-2、2-3、2-4、2-5。当掺杂量χ=0· 06，烧结温度为 1025°C、1050°C、1075°C、110(TC、1125°C，分别记为实施例 3-1、3-2、3-3、3-4、3-5。当掺杂量χ=0· 08，烧结温度为 1025°C、1050°C、1075°C、110(TC、1125°C，分别记为实施例 4-1、4-2、4-3、4-4、4-5。(5)测试微波介电性能将步骤(5)烧结完成的微波介电陶瓷柱，于室温下静置24h后测试其微波介电性能，具体测试结果详见表I表I
权利要求
1.一种中温烧结低损耗微波介质陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为Li2 (Mgl_xZnx) Ti3O8，式中 x=0. 02 O. 08。
上述中温烧结低损耗微波介质陶瓷的制备方法，具有如下步骤 (1)配料将原料 Li2CO3' (MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20、ZnO 和 TiO2,按 Li2(Mg1^xZnx)Ti3O8,式中x=0. 02、. 08的化学计量比配料,于球磨机中球磨,球料水的重量比为2 1 0. 5,球磨时间为4h，再将原料烘干； (2)合成 将步骤(I)烘干后的粉料放入氧化铝坩埚内，加盖密封，于900°C合成4h ； (3)成型及排塑 将步骤(2)的合成料再次球磨、烘干,外加5wt°/T7wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒,过筛后在400Mpa的压强下压制成型为坯体；然后以3°C /min的速率将坯体升温至200°C，再以1.5°C /min速率从200°C升至400°C，在400°C保温30min后，以5°C /min的速率升至650°C并保温lOmin，排出有机物； (4)烧结 将步骤(3)排出有机物的坯体采用本体系配方粉料埋烧，以6°C/min速率升温至1025 1125°C，保温4h，随炉冷却； (5)测试微波介电性能 将步骤(4)烧结处理的微波介质陶瓷柱，于室温下静置24h后测试其微波介电性能。
2.根据权利要求I的一种中温烧结低损耗微波介质陶瓷，其特征在于，所述配方中的X的优选值为O. 06。
3.根据权利要求I的一种中温烧结低损耗微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤(I)的球磨介质为去离子水和玛瑙球，球磨机的转速为750r/min。
4.根据权利要求I的一种中温烧结低损耗微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤(3)的聚乙烯醇水溶液的聚乙烯醇含量为7wt%。
5.根据权利要求I的一种中温烧结低损耗微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤(3)的还体为直径12mm,厚度5. 0mnT6. Omm的圆柱状还体。
6.根据权利要求I的一种中温烧结低损耗微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤⑷优选的烧结温度1075°C。
全文摘要
本发明公开了一种中温烧结低损耗微波介质陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为Li2(Mg1-xZnx)Ti3O8，式中x=0.02~0.08；制备步骤为(1)将原料Li2CO3、(MgCO3)4·Mg(OH)2·5H2O、ZnO和TiO2按化学计量比配料；(2)合成；(3)成型及排塑；(4)于1025~1125℃烧结，保温时间为4h。本发明通过对材料体系配方的调整和制备工艺的探索，提高了微波介电性能，最佳综合微波介电性能为1075℃烧结保温4h，εr=27.1，Q×f=44800GHz,τf=(+)1.9ppm/℃。本发明的微波介质陶瓷材料可应用于微波介质谐振器、滤波器等无线通信元器件。
文档编号H01L41/187GK102887701SQ20121036135
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者孙清池, 王丽婧, 马卫兵, 郇正利, 吴涛 申请人:天津大学