一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷及制備方法,該陶瓷材料組成表達(dá)式為:ZnSnxTi1?xNb2O8,其中0.40≤x≤0.45。本發(fā)明微波介質(zhì)陶瓷材料具有以下特點:微波品質(zhì)因數(shù)高(Q·f=55,800 GHz~69,500 GHz),介電常數(shù)可調(diào)(εr=22.83~26.21),制備工藝簡單,過程環(huán)保,制備成本較低,是一種很有發(fā)展前途的介電可調(diào)的微波介質(zhì)材料。
【專利說明】
一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電子信息材料及其器件技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種新型低損耗低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微波介質(zhì)陶瓷(MWDC)是指在微波頻段電路中作為介質(zhì)材料完成微波信號處理的一種陶瓷,是一種新型的電子功能陶瓷。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,信息容量呈指數(shù)性增長,應(yīng)用頻率朝著更高的頻段發(fā)展,便攜式終端和移動通信進(jìn)一步向著小型化、高集成化和高可穩(wěn)定性等方向發(fā)展。同時,介質(zhì)諧振器、濾波器、電容器等器件在電磁波的接受與發(fā)送、能量與信號耦合及篩選頻率方面有待進(jìn)一步的提高,這就對微波電路中的元器件提出了更高要求,開發(fā)小型化、高穩(wěn)定、廉價及高集成化的新型微波介質(zhì)陶瓷已成為當(dāng)今研究開發(fā)的焦點所在。
[0003]微波介質(zhì)陶瓷作為制造微波元器件的關(guān)鍵部分,應(yīng)滿足如下性能要求:(I)相對介電常數(shù)Er要盡量的高,這可以讓器件更加小型化;(2)諧振頻率溫度系數(shù)τ/要盡可能的接近0,這樣才能使器件工作時有較好的穩(wěn)定性;(3)品質(zhì)因數(shù)Q./值要高,這樣才能有優(yōu)良的選頻特性。根據(jù)相對介電常數(shù)Er的大小與使用頻段的不同,通??蓪⒁驯婚_發(fā)和正在開發(fā)的微波介質(zhì)陶瓷分為超低介電常數(shù)微波介電陶瓷,低^和高Q值的微波介電陶瓷,中等^和Q值的微波介電陶瓷,高ε Jg Q值微波介電陶瓷4類。
[0004]近期一種新型單斜晶系鎢錳鐵礦結(jié)構(gòu)ABNb2O8陶瓷體系,由于具有良好的微波介電性能而逐漸進(jìn)入研究人員視線;晶體結(jié)構(gòu)對稱性及空間群為P2/c(13),其中A離子可以調(diào)制為Mg2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Mn2+,B離子可以調(diào)制為Zr4+、Sn4+、114+。2013年印度V.R.K.Murthy教授率先報道AZrNb2O8體系的微波介電性能其微波性能為:er~9.6-16.5,Q./-25,000-58,500GHz、諧振頻率溫度系數(shù)介于-28 —50 ppm/°C之間,其具有低損耗、高穩(wěn)定、低成本及集成化等優(yōu)點?;谏鲜鲅芯靠梢园l(fā)現(xiàn)鎢錳鐵礦結(jié)構(gòu)ABNb2O8陶瓷是比較有應(yīng)用潛力的一種新型微波介質(zhì)陶瓷體系。但在國內(nèi)尚未見該系材料在應(yīng)用方面達(dá)到國外產(chǎn)品的性能指標(biāo),國內(nèi)產(chǎn)品的Q./值遠(yuǎn)低于國外產(chǎn)品。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。上述微波介質(zhì)陶瓷采用傳統(tǒng)固相工藝制備,燒結(jié)溫度為1150-1250°C。陶瓷材料主要物相為ZnSnNb2O8,其介電常數(shù)范圍為22.83至26.21,品質(zhì)因數(shù)Q.f范圍為55,800至69,500 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)范圍為_36.42至-11.48ppm/°C。
[0006]上述陶瓷材料按照ZnSnxTi1-xNb208(0.40彡X彡0.45)化學(xué)式配料,兩次混料約2411,預(yù)燒溫度約1050°C。當(dāng)化學(xué)組成為ZnSnQ.4TiQ.6Nb208,燒結(jié)溫度為1200 °(:時,具有最優(yōu)微波介電性能。其中介電常數(shù)為22.83,品質(zhì)因數(shù)0*/為69,500 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為-12.67 ppm/。。。
[0007]上述的介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法由下述步驟組成:
(1)混料:將純度大于99.99%的原料粉末按照配方ZnSnxTi1-XNb2O8的化學(xué)通式進(jìn)行配料,將粉料,氧化鋯磨球,無水乙醇加入混料瓶中,在混料機(jī)中混料約24小時;將混料后的漿料置于70?90 0C干燥箱中烘干;
(2)將步驟(I)干燥后的粉料混合物裝入坩禍后置于高溫爐中,在約1050°C下預(yù)燒4小時,得到預(yù)燒粉體;
(3)二次混料
將步驟(2)預(yù)燒后的粉料,氧化鋯磨球,無水乙醇再次加入混料瓶,在混料機(jī)中混料約24小時;將混料后的漿料置于70?90 0C干燥箱中烘干;
(4)造粒、成型
將(3)中烘干好的粉末加入石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒,過80目標(biāo)準(zhǔn)篩后,再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯;
(5)排膠
將生坯置于高溫爐中,在500 ° C下排膠四小時,排出石蠟成分;
(6)燒結(jié)
將排膠后的生坯于1150 °C-1250 °C燒結(jié),保溫4小時。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用價格較為低廉陶瓷氧化物粉體為原料。制備工藝過程化學(xué)計量比控制精確,工藝簡單,重復(fù)性好;合成物相穩(wěn)定單一,無雜相干擾;合成的微波陶瓷粉體顆粒細(xì)小、均勻,合成溫度較低,易于燒結(jié),可以實現(xiàn)在1200 °C內(nèi)燒結(jié),可針對需求調(diào)節(jié)介電常數(shù),同時具有良好的微波介電性能,滿足未來微波元器件的需要。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明ZnSnxTi1-XNb2O8陶瓷各實施例相關(guān)工藝參數(shù)及微波介電性能圖表。
[0010]圖2為本發(fā)明ZnSnxTi1-XNb2O8陶瓷實施例1掃描電子顯微鏡圖片。
[0011]圖3為本發(fā)明ZnSnxTi1-XNb2O8陶瓷實施例1X射線衍射分析圖片。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0013]實施例1。
[0014](I)混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.40)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計量比,使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958,氧化鈦(1^02)2.395(^,氧化錫(SnO2)3.0138g和氧化鈮(他205)13.29(^,將稱量后的粉料倒入混料瓶中,并加入4(^無水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0015](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時,即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.4TiQ.6Nb208粉體。
[0016](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球,40g無水乙醇再次加入混料瓶,在混料機(jī)中混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0017](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒,過80目標(biāo)準(zhǔn)篩后,再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0018](5)排膠:將生坯置于高溫爐中,在500°C下排膠四小時,排出石蠟成分。
[0019](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min,于1200°C保溫4小時可實現(xiàn)其燒結(jié)成瓷,其介電常數(shù)為22.83,品質(zhì)因數(shù)Q./為6.95 X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為_12.67ppm/°C0
[0020]實施例2。
[0021]⑴混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.425)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計量比,使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958,氧化鈦(1^02)2.29618,氧化錫(SnO2)3.2022g和氧化鈮(Nb2O5) 13.2905g,將稱量后的粉料倒入混料瓶中,并加入40g無水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0022](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時,即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.425T1.575他2〇8粉體O
[0023](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球,40g無水乙醇再次加入混料瓶,在混料機(jī)中混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0024](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒,過80目標(biāo)準(zhǔn)篩后,再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0025](5)排膠:將生坯置于高溫爐中,在500°C下排膠四小時,排出石蠟成分。
[0026](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min,于1150°C保溫4小時可實現(xiàn)其燒結(jié)成瓷,其介電常數(shù)為24.60,品質(zhì)因數(shù)Q./為5.58 X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為_36.42ppm/°C。
[0027]實施例3。
[0028]⑴混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.45)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計量比,使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958,氧化鈦(1^02)2.19638,氧化錫(SnO2)3.3905g和氧化鈮(Nb2O5) 13.2905g,將稱量后的粉料倒入混料瓶中,并加入40g無水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0029](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時,即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.45T1.55他2。8粉體。
[0030](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球,40g無水乙醇再次加入混料瓶,在混料機(jī)中混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0031](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒,過80目標(biāo)準(zhǔn)篩后,再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0032](5)排膠:將生坯置于高溫爐中,在500°C下排膠四小時,排出石蠟成分。
[0033](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min,于1250°C保溫4小時可實現(xiàn)其燒結(jié)成瓷,其介電常數(shù)為26.21,品質(zhì)因數(shù)Q./為6.58 X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為_32.74ppm/°C。
[0034]實施例4。
[0035]⑴混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.45)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計量比,使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958,氧化鈦(1^02)2.19638,氧化錫(SnO2)3.3905g和氧化鈮(Nb2O5) 13.2905g,將稱量后的粉料倒入混料瓶中,并加入40g無水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0036](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時,即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.45T1.55他2。8粉體。
[0037](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球,40g無水乙醇再次加入混料瓶,在混料機(jī)中混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0038](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒,過80目標(biāo)準(zhǔn)篩后,再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0039](5)排膠:將生坯置于高溫爐中,在500°C下排膠四小時,排出石蠟成分。
[0040](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min,于1200°C保溫4小時可實現(xiàn)其燒結(jié)成瓷,其介電常數(shù)為25.98,品質(zhì)因數(shù)Q./為5.93 X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為-27.35ppm/°C0
[0041 ] 實施例5。
[0042]⑴混料:根據(jù)ZnSnxTi1-xNb208(x=0.425)微波介質(zhì)陶瓷物相的化學(xué)計量比,使用精密天平稱取純度為99.99%的氧化鋅(2110)4.06958,氧化鈦(1^02)2.29618,氧化錫(SnO2)3.2022g和氧化鈮(Nb2O5) 13.2905g,將稱量后的粉料倒入混料瓶中,并加入40g無水乙醇和400g氧化鋯磨球。其中直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球按質(zhì)量比例為2:1裝入;將粉料、磨球及無水乙醇的混料瓶放置于混料機(jī)上連續(xù)混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0043](2)預(yù)燒:將步驟(I)烘干后的粉料置于馬弗爐中于1050°C下預(yù)燒4小時,即可獲得預(yù)燒后的ZnSn0.425T1.575他2〇8粉體O
[0044](3) 二次混料:將步驟(2)預(yù)燒后的粉料與400g氧化鋯磨球,40g無水乙醇再次加入混料瓶,在混料機(jī)中混料約24小時,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min;用粗孔篩將混料后的漿料和磨球分離,將分離后的漿料置于70-90 0C下的干燥箱中烘干。
[0045](4)造粒、成型:將步驟(3)中烘干好的粉末加入質(zhì)量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒,過80目標(biāo)準(zhǔn)篩后,再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯。
[0046](5)排膠:將生坯置于高溫爐中,在500°C下排膠四小時,排出石蠟成分。
[0047](6)燒結(jié):采用高溫?zé)Y(jié)爐以升溫速度5°C/min,于1250°C保溫4小時可實現(xiàn)其燒結(jié)成瓷,其介電常數(shù)為24.53,品質(zhì)因數(shù)Q./為6.02X 104 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為_11.48 L
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【主權(quán)項】
1.一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷,其特征在于,該陶瓷材料的組成表達(dá)式為:ZnSnxTi1-XNb2O8,其0.40彡x彡0.45。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷,其特征在于,所述陶瓷材料的相對介電常數(shù)^=22.83?26.21,品質(zhì)因數(shù)Q./=55,800?69,500 GHz,諧振頻率溫度系數(shù)-36.42—11.48 ppm/°C。3.—種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法,其特征在于,包括以下步驟: (1)混料:將純度大于99.99%的原料粉末按照配方ZnSnxTi1-XNb2O8的化學(xué)通式進(jìn)行配料,將粉料,氧化鋯磨球,無水乙醇加入混料瓶中,在混料機(jī)中混料約24小時;將混料后的漿料置于干燥箱中烘干; (2)將步驟(I)干燥后的粉料混合物裝入坩禍后置于高溫爐中,在約1050°C預(yù)燒4小時,得到預(yù)燒粉體; (3)二次混料 將步驟(2)預(yù)燒后的粉料,氧化鋯磨球,無水乙醇再次加入混料瓶,在混料機(jī)中混料約24小時;將混料后的漿料置于干燥箱中烘干; (4)造粒、成型 將(3)中烘干好的粉末加入石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒,過80目標(biāo)準(zhǔn)篩后,再用粉末壓片機(jī)以200MPa的壓力壓成生坯; (5)排膠 將生坯置于高溫爐中,在500 ° C下排膠四小時,排出石蠟成分; (6)燒結(jié) 將排膠后的生坯于1150 °C-1250 °C燒結(jié),保溫4小時。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法,其特征在于,所述的陶瓷粉體原料分別為ZnO ,T12, SnO2,Nb2O5粉體。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法,其特征在于,所述步驟(I),(3)的料,磨球,無水乙醇的質(zhì)量比例為1:10:1;直徑為Icm與直徑為0.5cm磨球質(zhì)量比例為2:1,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法,其特征在于,所述步驟(I),(3)烘干的溫度為70?90°C。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法,其特征在于,步驟(4)所述的造粒是將球磨及烘干后的樣品粉體與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的石蠟進(jìn)行加熱混合,加熱混合溫度為55-65°C,制成微米級的球形顆粒。8.根據(jù)權(quán)利要求3的一種介電可調(diào)的低損耗鎢錳鐵礦微波介質(zhì)陶瓷的制備方法,其特征在于,所述步驟(6)將步驟(5)得到的圓柱形生坯在1150-1250 °C的空氣氛圍下進(jìn)行燒結(jié),升溫梯度為5 °C /min,保溫時間為4h。
【文檔編號】C04B35/495GK105906343SQ201610261650
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】吳海濤, 劉青青, 畢金鑫
【申請人】濟(jì)南大學(xué)