一种低损耗微波介质陶瓷材料及其制备方法技术

一种低损耗微波介质陶瓷材料及其制备方法，属于电子信息功能材料与器件技术领域。材料包含主晶相和添加剂，主晶相包括MgTiO3、Mg2SiO4和CaTiO3，主晶相中含有少量的Mg2TiO4；添加剂包括MnO2、Co2O3、CeO2和Nb2O5；经检测具有较低的损耗（Q×f在65000～85000GHz之间），介电常数可调（9～20之间）、频率温度系数稳定（±10ppm/℃以内）和良好的加工性，能够满足微波通信行业的应用需求。制备方法为固相烧结方法，具有简单、易控、环保和成本低廉的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子信息功能材料与器件
，具体涉及微波陶瓷介质材料及其制备方法。
技术介绍
微波介质陶瓷是近30年来迅速发展起来的新型功能电子陶瓷，它具有损耗低、频率温度系数小、介电常数高等特点。微波介质陶瓷可以用来制作滤波器、谐振器、介质导波回路等微波元器件和微波电路的介质基片，已被广泛应用于卫星、电视、雷达、移动通讯和电子计算机等众多领域。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。高介电常数、高品质因数、频率温度系数接近零且烧结温度低是微波介质陶瓷的重点研究发展方向。具有钛铁矿结构的偏钛酸镁(MgTi03)因其原料相对廉价、微波性能优异，是一种重要的微波介质陶瓷材料。钛酸镁陶瓷具有三种不同的化合物形式:正钛酸镁(Mg2Ti04)、偏钛酸镁(MgTi03)和二钛酸镁(MgTi205)。其中正钛酸镁(Mg2Ti04)和偏钛酸镁(MgTi03)微波性能优异，但二钛酸镁(MgTi205)微波损耗相比较大。直接按Mg:Ti=l: 1的化学配比，难合成纯MgTi03相，往往伴随着MgTi205的产生。2010年唐斌等人在合金与化合物(Journalof Alloys and Compounds)上报道，当 Mg: Ti=l.03:1 来合成 MgTi03 时，能有效抑制 MgTi205相的产生，从而提升体系的微波性能。MgTi03的频率温度系数为-50ppm/°C，严重制约了该材料的直接应用。通常需要引入正温度系数的材料CaTi03、SrTi03和(Naa 5Laa 5) Ti03等材料来调节频率温度系数，但这样又增大了材料的微波损耗。镁橄榄石(Mg2Si04)具有低的介电常数、较高的QXf值，相比A1203陶瓷具有低的烧结温度，适合作为低介电常`数介质谐振器的一种微波介质材料。Mg2Si04陶瓷作为介质谐振器材料往往具有以下缺陷。首先，具有大的负谐振频率温度系数_67ppm/°C ;其次，按化学计量比烧结过程中容易出现MgSi03第二相，这个第二相具有高的介电损耗，它的出现降低了陶瓷系统的微波介电性能。对Mg2Si04陶瓷研究工作一直没有停止，人们发现在Si02过量10%~20%的配比下，于1160~1240°C烧结均获得较纯的Mg2Si0jg，但过量Si02同样增大了材料的微波损耗。在2007年，Song等在美陶(Journal of the American CeramicSociety)上报道:在MgO过量的情况下，在1250°C左右预烧，没有MgSi03第二相出现，最终物相是Mg2Si04和少量的MgO。本专利技术先按厘&+1^04配比合成Mg2Si04，然后用含有少量MgO的Mg2Si04粉料与MgTi03和CaTi03复合。MgO的富余能抑制MgSi03和MgTi205的产生，同时富余的MgO有如下反应:Mg0+MgTi03 —Mg2Ti04。目前，能够做到介电常数从9~20之间可调，温度系数控制在土 10ppm/°C内，同时QX f在65000~85000GHz之间的材料体系的报道非常少，当前迫切需要开发一种工艺简单、原材料成本低同时满足低损耗特征、介电常数系列可调的微波介质陶瓷，以满足微波通信行业的应用需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种介电常数可调、品质因数较高、频率温度系数在零附近连续可调且能够中温烧结的微波陶瓷介质材料及其制备方法。本专利技术技术方案如下:一种低损耗微波介质陶瓷材料，包含主晶相和添加剂；其中主晶相包括MgT i 03、Mg2Si04 和 CaTi03,MgTi03、Mg2Si04 和 CaTi03 三者之间的摩尔比为(l_x): x: y、且 0〈x ≤ 0.8，0.05≤y≤0.07，主晶相中含有少量的Mg2Ti04 ;添加剂包括Mn02、Co203、Ce02和Nb205，添加剂质量分数占整个微波介质陶瓷材料总质量的0.5%~3%。整个低损耗微波介质陶瓷材料QXf值在65000~85000GHz之间，相对介电常数ε ^在9~20之间，谐振频率温度系数在土 10ppm/°C 以内。所述改性添加剂中，Mn02、Co203、Ce02和Nb205占整个微波介质陶瓷材料总质量的百分比含量为 Μη02:0 ~0.5%、Co203:0 ~0.5%、Ce02:0 ~0.4%、Nb205:0 ~1.0%。上述低损耗微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:步骤1:Mg2Si04晶相粉料合成。以纯度为99%的碱式碳酸镁和99.5%的二氧化硅为起始原料，控制Mg和Si的摩尔比为Mg:Si=(2+k):1，其中:0.03≤k≤0.1。球磨混合均匀后在1100~1300°C下保温烧结2~4小时，然后随炉冷却得到含有少量MgO粉末的Mg2Si04晶相粉料。步骤2:以步骤1所得含有少量MgO粉末的Mg2Si04晶相粉料与纯度分别为99%的碱式碳酸镁、99.5% 二氧化钛和99.5%的碳酸钙为原料，按照目标产物(l_x)MgTi03-xMg2+kSi04_yCaTi03，其中0〈x≤0.8，0.05≤y≤0.07所述的摩尔比进行混料，并掺入添加剂；所述添加剂包括Mn02、Co203、Ce02和Nb205，添加剂质量分数占整个微波介质陶瓷材料总质量的0.5%~3% (Mn02、Co203、Ce02和Nb205占整个微波介质陶瓷材料总质量的百分比含量为 Μη02:0 ~0.5%、Co203:0 ~0.5%、Ce02:0 ~0.4%、Nb205:0 ~1.0%);然后球磨，球磨后在1050°C~1200°C温度条件下预烧2~4小时，得到预烧料。步骤3:造粒、成型。将步骤2所得预烧料添加相当于预烧料质量5%~9%的聚乙烯醇造粒，造粒尺寸控制在100~250目，并在20MPa下压制成生坯。步骤4:烧结。将步骤3所得生坯，在1320°C~1380°C温度条件下烧结4~6小时，得到最终的微波陶瓷介质材料。步骤1和步骤2所述球磨工艺为:以二氧化错球为球磨介质、去离子水作为溶剂，按照料:球:水=1:5:3~6重量比，球磨4~10小时,再将球磨料于100°C下烘干并过40目筛。本专利技术先按1%2+1^04配比合成，然后用含有少量MgO的Mg2Si04粉料与MgTi03和CaTi03复合。在以碱式碳酸镁和二氧化硅为原料合成Mg2Si04的过程中，采用过量的碱式碳酸镁(Mg和Si的摩尔比为Mg:Si=(2+k):1，其中:0.03≤k≤0.1)，采用过量的碱式碳酸镁使得反应过程中生成的MgO产生一定的富余，富余的MgO能够抑制MgSi03和MgTi205的产生，从而得到纯Mg2Si04。同时，在步骤2操作过程中，步骤1富余的MgO有如下反应:Mg0+MgTi03 — Mg2Ti04,使得步骤1富余的MgO能够完全转化成Mg2Ti04，而Mg2Ti04本身虽不是本专利技术目标产物中的主晶相产物，但Mg2Ti04本身也是一种性能优异的微波介质材料，Mg2Ti04的生成在消耗富余的MgO的同时不会对目标产物的微波性能产生负面的影响。本专利技术提供(制备)的低损耗微波介质陶瓷材料，经检测具有较低的损耗(QXf在65000~8500本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低损耗微波介质陶瓷材料，包含主晶相和添加剂；其中主晶相包括MgTiO3、Mg2SiO4和CaTiO3，MgTiO3、Mg2SiO4和CaTiO3三者之间的摩尔比为(1?x):x:y、且0

【技术特征摘要】
1.一种低损耗微波介质陶瓷材料,包含主晶相和添加剂；其中主晶相包括MgTi03、Mg2Si04 和 CaTi03,MgTi03、Mg2Si04 和 CaTi03 三者之间的摩尔比为(l_x): x: y、且 0〈x ≤ 0.8，0.05≤y≤0.07，主晶相中含有少量的Mg2Ti04 ;添加剂包括Mn02、Co203、Ce02和Nb205，添加剂质量分数占整个微波介质陶瓷材料总质量的0.5%~3% ;整个低损耗微波介质陶瓷材料QXf值在65000~85000GHz之间，相对介电常数ε ^在9~20之间，谐振频率温度系数在土 10ppm/°C 以内。2.根据权利要求1所述的低损耗微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述改性添加剂中，Mn02、Co203、Ce02和Nb205占整个微波介质陶瓷材料总质量的百分比含量为Μη02:0~0.5%、Co203:0 ~0.5%、Ce02:0 ~0.4%、Nb205:0 ~1.0%。3.一种低损耗微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:步骤1:Mg2Si04晶相粉料合成；以纯度为99%的碱式碳酸镁和99.5%的二氧化硅为起始原料，控制Mg和Si的摩尔比为Mg:Si=(2+k):1，其中:0.03≤k≤0.1 ;球磨混合均匀后在1100~1300°C下保温烧结2~4小时，然后随炉冷却得到含有少量MgO粉末的Mg2Si04晶相粉料；步骤2:以步骤1所得含有少量MgO粉末的Mg2Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐斌，李皓，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：