复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料及其制备方法，组成通式为Li3+aMg2‑b/3X1‑2b/3Yb+cO6+2c·dZ，X为Nb

【技术实现步骤摘要】
复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于电子信息功能材料与器件
，特别涉及的是一种频率温度系数近零端可调的超低损耗微波介质陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
微波介质陶瓷为现代移动通讯、卫星通讯和军用雷达等所用的谐振器、滤波器、介质基板等微波元器件的关键材料。国务院早在2009年《电子信息产业调整振兴规划纲要》的文件提出研制介电常数系列化、微波介电性能优异的介质陶瓷的重要性。高频化是数字产品发展必然的趋势，随着电子信息技术不断向高频化和数字化发展，对元器件的小型化、集成化、模块化的需求也越来越迫切。在高频微波电路中，许多微波器件需要使用介质陶瓷材料作为基板，使得微波陶瓷介质基板材料愈来愈成为微波器件、部件与整机系统中使用的关键性基础材料。介电常数是介质陶瓷基板的关键性能，介电常数的范围往往决定基板材料的适用方向。例如，相对介电常数低于15的基板适用于高速数字电路的设计；相对介电常数15～80的基板可很好地完成高频线路的设计；相对介电常数高达20000的基板，则可使高容性器件集成到多层结构中。而发展低介电常数(低于20)的微波介质陶瓷材料以满足高频和高速的要求是微波介质陶瓷的重点研究发展方向。由于微波介质陶瓷材料的品质因数Q×f值越大，滤波器的插入损耗就越低，故高品质因素有利于实现微波器件良好选频性，而接近于零的频率温度系数τf意味着器件的中心频率随环境温度变化小，工作稳定性高。因此，研制在微波频率下同时具有一定范围内可调介电常数，超低损耗和接近于零的频率温度系数的微波介质陶瓷材料具有很大的应用价值。微波介质陶瓷的性能优劣首先取决于所选材料的性能。为了满足上述的需求，一系列高性能的二元或三元Li基微波陶瓷体系被相继开发出来。《美国陶瓷协会会刊》(JournaloftheAmericanCeramicSociety)在2011年的文章《Li(3-3x)M4xNb(1-x)O4(M＝Mg,Zn)体系的相变及微波介电性能》中研究了Li2O-MgO-Nb2O3三元体系的相变机理及其对微波介电性能的影响，其中，Li3Mg2NbO6为具有高度有序结构的正交相，因其具有的优良的介电性能(εr＝16.8，Q×f＝79642GHz，τf＝-22ppm/℃)而引起了广大学者的注意。虽然Li3Mg2NbO6微波介质陶瓷具有较低损耗，但是和大多数原始微波陶瓷一样有共通的缺陷。其一，在1300℃左右的高温烧结环境下，Li+离子的严重挥发导致Li3Mg2NbO6的结构中存在较多气孔，增加了材料的介电损耗；其二，较大的负频率温度系数使Li3Mg2NbO6原始陶瓷材料较难满足工业运用；其三，较高的烧成温度增加了工业生产的成本。采用将材料放入富含Li挥发物的气氛烧结或者放入密闭空间煅烧抑制锂的挥发是两种常用的方法，前者往往工艺复杂，后者一般利用铂金坩埚或者不和原材料反应的埋烧粉料制造密闭空间，但因铂价格昂贵以及埋烧工艺复杂，都很难运用于实际工业生产中。Bian等人在《Li2+xTiO3(0≤x≤0.2)的烧结性能，微观结构和微波介电性能》(Sinteringbehavior,microstructureandmicrowavedielectricpropertiesofLi2+xTiO3(0≤x≤0.2))一文中成功利用Li元素的非化学计量比实现Li2+xTiO3陶瓷综合微波性能的大幅度提升，同时一定程度下有效抑制了化学计量比原料中锂的挥发。而目前调节频率温度系数最行之有效的方法是引入与基料体系频率温度系数相反的相，如在负频率温度系数体系引入TiO2(450ppm/℃)等具有正频率温度系数且易于控制的相。而降低微波陶瓷材料烧结温度的一般方法为加入助烧剂，如《电子元器件》2008年的文章《Mg1-xZnxTiO3系陶瓷微波介电性能的研究》中指出，添加适量的ZnO，即可有效降低烧结温度，又可进一步降低陶瓷材料原本的介电损耗损耗。Bian等人也在《材料研究公告》(MaterialResearchBulletin)期刊的文章《(1-x)Li2TiO3-xLiF陶瓷的结构演变、烧结温度及微波性能》中指出，LiF在降低烧结温度的同时并没有过多地影响材料的性能，可能原因是LiF和Li2TiO3具有类同的结构，在液相烧结的同时，LiF进入了Li2TiO3结构内与之形成固溶体，消除了杂相对介质损耗的影响。另外，值得注意的是，在《欧洲陶瓷协会会刊》(JournaloftheEuropeanCeramicSociety)2010年的文章《新的高Q值岩盐结构微波介质材料：(1-x)Li2TiO3-xMgO》中报道，利用等电荷复合取代的方法，(1-x)Li2TiO3-xMgO材料随着MgO量的增加，产生了单斜岩盐结构向立方岩盐结构的相变，并且相变过程使Q×f出现了巨大的增加。综上所述，以YO2(Y＝Ti，Sn，Zr)为取代基对Li2O-MgO-X2O5(X＝Nb，Ta)系低损微波陶瓷材料进行等电荷掺杂改性(Mg2++2X5+→3Y4+)的基础上，综合运用非化学计量比加入过量Li2O及加入盐岩结构助烧掺杂剂的方法，研究一种较低烧结温度、超高品质因数(超低损耗)、接近于零的频率温度系数，同时可在一定范围内调节介电性能的新型微波介质陶瓷具有良好的应用前景，能满足微波通信行业需求。
技术实现思路
为了克服以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种较低烧结温度、超高品质因数(超低损耗)、接近于零的频率温度系数，同时可在一定范围内调节介电性能的新型微波介质陶瓷，本专利技术通过在Li2O-MgO-XO2(X＝Nb，Ta)系低损微波陶瓷材料加入YO2(Y＝Ti，Sn，Zr)取代基进行等电荷掺杂成功实现了有序正交相岩盐结构和无序立方相岩盐结构的两相含量可控变化，以及运用非化学计量比加入过量Li2O及加入盐岩结构助烧掺杂剂的方法，制备出的微波介质陶瓷材料εr在8.8～17.9之间可调，Q×f值在82000GHz～128000GHz之间，谐振频率温度系数τf在-33ppm/℃～+11ppm/℃之间可控，制备工艺简单，并且性能稳定，易于工业化生产。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料，该陶瓷的组成通式为：Li3+aMg2-b/3X1-2b/3Yb+cO6+2c·dZ，其中，X为Nb5+或Ta5+，Y为Ti4+、Sn4+或Zr4+，Z为ZnO或LiF，0.03≤a≤0.12，0.12≤b≤0.38，0≤c≤0.15；0wt％≤d≤5wt％，制备时先将原料进行预烧后得到样品烧块，d为所占预烧后样品烧块的百分比。作为优选方式，所述微波陶瓷的原料包括碱式碳酸镁Mg(OH)2·4MgCO3·5H2O，Li2CO3，Nb或Ta的稀土氧化物，钛、锡或锆的氧化物，和ZnO、LiF其中任一种添加剂。作为优选方式，所述微波介质陶瓷材料晶相为有序正交相岩盐结构和无序立方相岩盐结构的复合相。作为优选方式，所述微波陶瓷的烧成温度为960～1280℃，其相对介电常数为8.8～17.9，Q×f值达到82000GHz～128000GHz，谐振频率温度系数τf在-33ppm/℃～+11ppm/℃之间。为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供上述任意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷的组成通式为：Li3+aMg2‑b/3X1‑2b/3Yb+cO6+2c·dZ，其中，X为Nb5+或Ta5+，Y为Ti4+、Sn4+或Zr4+，Z为ZnO或LiF，0.03≤a≤0.12，0.12≤b≤0.38，0≤c≤0.15；0wt％≤d≤5wt％，制备时先将原料进行预烧后得到样品烧块，d为占样品烧块的百分比。

【技术特征摘要】
1.一种复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷的组成通式为：Li3+aMg2-b/3X1-2b/3Yb+cO6+2c·dZ，其中，X为Nb5+或Ta5+，Y为Ti4+、Sn4+或Zr4+，Z为ZnO或LiF，0.03≤a≤0.12，0.12≤b≤0.38，0≤c≤0.15；0wt％≤d≤5wt％，制备时先将原料进行预烧后得到样品烧块，d为占样品烧块的百分比。2.如权利要求1所述的一种复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料，其特征在于：所述微波陶瓷的原料包括碱式碳酸镁Mg(OH)2·4MgCO3·5H2O，Li2CO3，Nb或Ta的稀土氧化物，钛、锡或锆的氧化物，和ZnO、LiF其中任一种添加剂。3.如权利要求1所述的一种复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料，其特征在于：所述微波介质陶瓷材料晶相为有序正交相岩盐结构和无序立方相岩盐结构的复合相。4.如权利要求1所述的一种复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料，其特征在于：所述微波陶瓷的烧成温度为960～1280℃，其相对介电常数为8.8～17.9，Q×f值达到82000GHz～128000GHz，谐振频率温度系数τf在-33ppm/℃～+11ppm/℃之间。5.权利要求1至4中任意一种复相岩盐结构超低损耗微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将碱式碳酸镁Mg(OH)2·4MgCO3·5H2O，Li2CO3，Nb或Ta的稀土氧化物，钛、锡或锆的氧化物，按照Li3+aMg2-b/3X1-2b/3Yb+cO6+2c化学通式的摩尔比进行备料，其中X为Nb5+或Ta5+，Y为Ti4+、Sn4+或Zr4+，0.03≤a≤0.12，...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐斌，张星，袁颖，钟朝位，张树人，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51