一种铌基复合微波介质陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铌基复合微波介质陶瓷，其组成表达式为：(1‑x)(Zn

Niobium based composite microwave dielectric ceramic material and preparation method thereof

The invention discloses a niobium based composite microwave dielectric ceramic composition, its expression is as follows: (1 (Zn x)

【技术实现步骤摘要】
一种铌基复合微波介质陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种两相复合且谐振频率温度系数近零的铌基微波介质陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
随着微波通信技术的迅猛发展，对微波器件的性能提出越来越高的要求。微波介质陶瓷的作为微波器件的关键组成材料，目前已开发出一系列具有不同介电常数的微波介质陶瓷材料以满足不同用途，其中介电常数在20～50之间的介质陶瓷主要用于通讯卫星、导航天线和军用雷达等领域。此类微波介质陶瓷材料一般应满足以下几点要求：(1)系列化的介电常数εr，以满足微波器件不同尺寸的要求，一般要求εr＞20；(2)高的品质因数Q×f，以降低微波器件的插入损耗等，一般要求Q×f＞10000GHz；(3)近零的谐振频率温度系数τf，以提高微波器件的工作稳定性，一般要求-10ppm/℃＜τf＜+10ppm/℃。铌基AB2O6(A＝Zn,Ni,Mg,Co；B＝Nb)体系由于具有优异的微波介电性能受到广泛关注。研究人员通过改变铌铁矿ZnNb2O6中锌位离子的摩尔比，发现Zn3Nb2O8仍然具有铌铁矿结构，但其品质因数变高(Q×f～83300GHz)，频率温度系数往负方向变化(τf～-71ppm/℃)；最近我们在《JournalofMaterialsScience:MaterialsinElectronics》期刊上报道了通过微量掺杂镍离子，用固相反应法制备出(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8陶瓷，陶瓷的晶体结构没有改变，于1160℃温度下的微波介电性能：εr～21.81，Q×f～123558GHz，τf～-78.45ppm/℃，可以看出体系的品质因数进一步大幅提高，但是频率温度系数变化不明显，绝对值仍较大，不能满足微波器件的应用需要。此外，我们在《MaterialsLetters》中报道了另一种掺杂方式，即对铌铁矿NiNb2O6陶瓷通过1:1添加TiO2，同样采用固相烧结法，在1100℃烧结时我们发现制备出的Ni0.5Ti0.5NbO4微波介质陶瓷频率温度系数τf变成较大的正值+79.1ppm/℃，介电常数εr增大到56.8，品质因数Q×f降至21100GHz，陶瓷由铌铁矿结构变成金红石结构，晶体结构发生改变，导致微波介电性能的改变。因此，在(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8陶瓷中添加Ni0.5Ti0.5NbO4陶瓷，通过调整添加量有望调节耦合谐振频率温度系数向负方向移动，得到一种近零τf值的铌基复相微波介质陶瓷，提高微波器件的温度稳定型，同时提高介电常数εr，减小微波器件的尺寸。
技术实现思路
本专利技术的目的，是提供一种频率温度系数近零，介电常数在30～45，具有高的品质因数的复合微波介质陶瓷，以满足通信卫星、导航介质天线中微波器件对中介电常数微波介质陶瓷材料的需求。本专利技术的另外一个目的是提供上述微波介质陶瓷的制备方法。本专利技术通过如下技术方案予以实现。一种铌基复合微波介质陶瓷，其组成表达式为(1-x)(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8-xNi0.5Ti0.5NbO4，其中x为摩尔分数，0.5≤x≤0.7，是将(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8相与Ni0.5Ti0.5NbO4相作为基体材料，按比例复合添加而成；该铌基复合微波介质陶瓷采用简单的传统固相反应法制备，具体步骤如下：(1)将ZnO、NiO、和Nb2O5作为原料，按摩尔比2.85:0.15:1进行称量配料，再将称量好的ZnO、NiO、和Nb2O5放入球磨罐中，加入氧化锆球和去离子水，在球磨机上球磨12h，然后在100℃下烘干、过80目筛、预烧制成(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8，预烧温度为1100℃，预烧时间为3h；预烧后经二次球磨、烘干、过筛后得到(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8预烧粉体；(2)将NiO、TiO2和Nb2O5作为原料，按摩尔比1:1:1进行称量配料，再将称量好的NiO、TiO2和Nb2O5放入球磨罐中，加入氧化锆球和去离子水，在球磨机上球磨12h，然后在100℃下烘干、过80目筛、预烧制成(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8，预烧温度为900℃，预烧时间为3h；预烧后经二次球磨、烘干、过筛得后到Ni0.5Ti0.5NbO4预烧粉体；(3)将(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8预烧粉料和Ni0.5Ti0.5NbO4预烧粉料，按(1-x)(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8-xNi0.5Ti0.5NbO4，其中0.5≤x≤0.7的化学计量比进行称量，将称量好的粉料置于球磨罐中，在球磨机上球磨12h，然后在100℃下烘干后过80目筛，再利用压片机压制成型为坯体；(4)将得到的陶瓷坯体按3℃/min的升温速率升至1140℃～1180℃，保温4h，再以1℃/min的降温速率降至900℃，之后随炉自然冷却，最终制得铌基复合微波介质陶瓷。所述步骤(1)和(2)的原料为纯度≥99％的分析纯原料。所述步骤(1)、(2)和(3)所述的原料与球磨介质、去离子水的体积比为1:1:1。所述步骤(1)、(2)和(3)采用行星式球磨机进行球磨，球磨机转速为400转/分。所述步骤(3)利用压片机在4MPa下单向加压成型，坯体为Φ10mm×5mm的圆柱体。本专利技术的有益效果如下：(1)(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8粉料和Ni0.5Ti0.5NbO4粉料各自的制备工艺简单，且烧结温度低，有一定的节能优势；原材料国内储量丰富，价格便宜，可降低现代通讯技术中高性能微波元器件的制备成本。(2)本专利技术的配方中不含铅、铬等有毒重金属物质或挥发性较强的物质，是一种环境友好型的微波介质陶瓷；(3)本专利技术复相微波介质陶瓷的介电性能优异，特别是具有近零谐振频率温度系数的同时，陶瓷还可以保持较高的Q×f值，可大幅降低器件的能耗。本专利技术通过两相复合制得具有中介电常数的铌基微波介质陶瓷材料，其温度稳定性得到改善，当在1140℃～1180℃烧结时，制品的介电常数εr为32.8～44.1，品质因数Q×f值为37500GHz～57600GHz，谐振频率温度系数τf为-25.6ppm/℃～+6.7ppm/℃，是制备高性能微波介质谐振器、微波滤波器、振荡器以及电容器等电子元器件的核心材料，因此本专利技术具有重要的工业应用价值。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步说明，具体实施例如下。实施例1以分析纯(纯度≥99％)的ZnO、NiO、TiO2和Nb2O5作为原材料，按(1-x)(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8-xNi0.5Ti0.5NbO4(其中x为摩尔分数，且x＝0.5)的化学计量比进行配料。具体制备步骤如下：(1)将分析纯ZnO、NiO、和Nb2O5作为原料(纯度≥99％)，按摩尔比2.85:0.15:1进行称量配料，再将称量好的ZnO、NiO、和Nb2O5放入尼龙球磨罐中，原料与球磨介质、去离子水的体积比为1:1:1，采用行星式球磨机进行球磨，球磨机转速为400转/分，在球磨机上球磨12h，然后在100℃下烘干、过80目筛、预烧制成(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8，预烧温度为1100℃，预烧时间为3h，预烧后经二次球磨、烘干、过筛后得到(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8预本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铌基复合微波介质陶瓷材料，其组成表达式为：(1‑x)(Zn

【技术特征摘要】
1.一种铌基复合微波介质陶瓷材料，其组成表达式为：(1-x)(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8-xNi0.5Ti0.5NbO4，其中x为摩尔分数，0.5≤x≤0.7，是将(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8相与Ni0.5Ti0.5NbO4相作为基体材料，按比例复合添加而成；该铌基复合微波介质陶瓷采用简单的传统固相反应法制备，具体步骤如下：(1)将ZnO、NiO、和Nb2O5作为原料，按摩尔比2.85:0.15:1进行称量配料，再将称量好的ZnO、NiO、和Nb2O5放入球磨罐中，加入氧化锆球和去离子水，在球磨机上球磨12h，然后在100℃下烘干、过80目筛、预烧制成(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8，预烧温度为1100℃，预烧时间为3h；预烧后经二次球磨、烘干、过筛后得到(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8预烧粉体；(2)将NiO、TiO2和Nb2O5作为原料，按摩尔比1:1:1进行称量配料，再将称量好的NiO、TiO2和Nb2O5放入球磨罐中，加入氧化锆球和去离子水，在球磨机上球磨12h，然后在100℃下烘干、过80目筛、预烧制成(Zn0.95Ni0.05)3Nb2O8，预烧温度为900℃，预烧时间为3h；预烧后经二次球磨、烘干、过筛得后到Ni0.5Ti0....

【专利技术属性】
技术研发人员：李玲霞，吕笑松，罗伟嘉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12