一种微波介质陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种微波介质陶瓷及其制备方法。微波介质陶瓷包括主晶相，主晶相的化学表达式为(1‑x)Zr0.5Sn0.5TiO4‑x(Ni1/3Ta2/3)TiO，其中(0.1≤x≤0.3)。经实验表明，本发明专利技术提供的微波介质陶瓷材料具有良好的微波介电性能：介电常数εr＝40～44，且在此范围内可调节；品质因数Q*f＝45000GHz～60000GHz；频率温度系数τf＝‑8.5～+15.3×10‑6/℃范围内可调节，温度特性稳定。本发明专利技术提供的微波介质陶瓷制备方法烧结温度较低，节约了能源成本，符合低碳环保理念。同时制备工艺简单，无需特殊设备和苛刻工艺条件，适合工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种微波介质陶瓷及其制备方法
本专利技术属于电子材料与元器件领域，尤其涉及一种微波介质陶瓷及其制备方法。
技术介绍
微波介质材料是最近20年来迅速发展起来的一种新型功能电子陶瓷材料。它是滤波器、双工器、谐振器及介质波导回路等微波器件中的关键材料，被广泛应用于卫星通信、移动通信、电子对抗及机载通信等微波通信设备中，是当前介质材料的热点之一。Zr0.8Sn0.2TiO4陶瓷作为一种传统的微波介质材料，微波波段为毫米波段(波长范围：1～10mm)时，具有中介电常数(εr≈40)、高的品质因数Q*f、近零的谐振频率温度系数τf等微波介电性能，但存在烧结温度高(高于1400℃)，制备过程中能耗较大，不符合低碳环保的理念。随着移动通讯技术不断发展，对微波器件的小型化和高品质提出更高的要求，这就要求微波介质陶瓷介质材料应满足以下要求：(1)具有适的中介电常数εr；(2)高品质因数Q*f；(3)温度系数τf近零；(4)低碳节能。因此本领域有必要提供一种微波介电性能较好且价格较低的微波介质陶瓷及其制备方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种微波介质陶瓷，包括主晶相，所述主晶相的化学表达式为(1-x)Zr0.5Sn0.5TiO4-x(Ni1/3Ta2/3)TiO4，其中(0.1≤x≤0.3)。在某些实施方式中，还包括改性添加剂，所述的改性添加剂为MnO2、CeO2、Ga2O3中的任意一种或任意两种的组合。在某些实施方式中，所述的改性添加剂在微波介质陶瓷中所占的重量百分比为1wt％～5.0wt％。在某些实施方式中，所述的改性添加剂在微波介质陶瓷中所占的重量百分比为3wt％。本专利技术还提供了一种微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)按照主晶相的化学表达式的化学计量比取ZrO2、SnO2、NiO、Ta2O5、TiO2后进行第一次球磨或砂磨后干燥得到第一混合物；(2)将所述的第一混合物预烧得到粉料；(3)将所述的粉料加入改性添加剂后进行第二次球磨或砂磨，干燥后得到第二混合物；(4)将所述的第二混合物加入粘合剂造粒、压制成型后制得生坯；(5)所述的生坯经烧结得到微波介质陶瓷。在某些实施方式中，所述的步骤(2)中，第一混合物预烧得到粉料前还包括将所述的第一混合物过40目筛的操作。在某些实施方式中，所述的步骤(4)中，第二混合物加入粘合剂造粒、压制成型后制得生坯前还包括将所述的第二混合物过40目筛的操作。在某些实施方式中，所述的步骤(2)中，第一混合物经800℃～1000℃预烧得到粉料；所述的步骤(5)中，生坯经1300℃～1360℃烧结得到微波介质陶瓷。在某些实施方式中，所述的步骤(5)中，生坯经1340℃烧结得到微波介质陶瓷。在某些实施方式中，所述的步骤(1)中，第一次球磨或砂磨时间为8～16小时；所述的步骤(3)中，第二次球磨或砂磨时间为8～24小时。与现有技术相比，本专利技术提供的微波介质陶瓷具有以下优势：(1)微波介电性能较好：介电常数εr＝40～44，且在此范围内可调节；品质因数Q*f＝45000GHz～60000GHz；频率温度系数τf＝-8.5～+15.3×10-6/℃范围内可调节，温度特性稳定。(2)本专利技术提供的微波介质陶瓷的制备方法中，烧结温度较低，节约了能源成本，符合低碳环保的理念；(3)本专利技术制备工艺简单，无需特殊设备和苛刻工艺条件，适合工业化生产。由此可知，本专利技术提供的微波介质陶瓷具有广泛的应用前景。附图说明图1为(1-x)Zr0.5Sn0.5TiO4-x(Ni1/3Ta2/3)TiO4微波介质陶瓷的SEM图。具体实施方式下面结合具体实施例的方式对本专利技术的权利要求做进一步的详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术。但是本专利技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似改进，因此本专利技术不受下面公开的具体实施的限制。本专利技术提供了一种微波介质陶瓷，包括主晶相，主晶相的化学表达式为(1-x)Zr0.5Sn0.5TiO4-x(Ni1/3Ta2/3)TiO4，其中(0.1≤x≤0.3)，其中(Ni1/3Ta2/3)4+的添加显著改善材料的品质因数和介电常数，同时可以调整谐振频率温度系数。上述，微波介质陶瓷除了属离子型晶体结构多晶材料外，往往还是复相材料，通常由主晶相，一个或多个杂项，气孔等组成。其中，主晶相中Ti4+、Zr4+、Ta5+离子的存在与微波介质陶瓷的高介电常数相关，再者通过调节Sn4+的含量可以使频率温度系数τf调节为零。需要理解的是，结构及组分简单的铌酸盐是近年来开发的新型微波介质陶瓷材料，所有的铌酸盐都是铌铁矿结构，并且τf为负值。优选地，微波陶瓷介质材料还包括改性添加剂，所述的改性添加剂为MnO2、CeO2、Ga2O3中的任意一种或任意两种的组合。上述，离子替代对微波陶瓷介质材料的内部结构变化与所产生的相应的介电性能改变不同，通过对改性主晶相的相结构、显微组织、介电性能分析，可以发现不同的离子半径、极化率、电负性和价态的离子掺杂对主晶相的性能影响较大，经实验证明MnO2、CeO2和Ga2O3均具有改善微波陶瓷介质材料的介电性能、降低烧结温度的作用。其中，上述微波介质陶瓷通过掺杂Mn离子，吸引自由电子将其变为紧束缚的电子，可以抑制Ti离子的还原，防止在烧结过程中由于氧气不足，Ti4+还原为Ti3+，从而导致介电损耗增加，微波介质陶瓷的介电性能恶化。镧系元素Ce和硼族元素Ga对主晶体体系的改性研究主要集中在离子对晶体结构和介电性能的影响。同时，通过改善晶体结构亦改善了烧结陶瓷时晶体的致密程度，从而降低了烧结温度。可以理解的是，掺杂改性添加剂的方式分为两种：一是先合成主晶相化合物，再掺杂改性添加剂；二是在合成主晶相化合物的原料配料阶段就掺杂改性添加剂。优选地，所述的改性添加剂在微波介质陶瓷中所占的重量百分比为1wt％～5.0wt％。优选地，所述的改性添加剂在微波介质陶瓷中所占的重量百分比为3wt％。上述，复相材料的介电常数变化服从对数混合规则，控制杂项含量，特别是减少气孔含量，使陶瓷样品烧结致密显得尤为重要。应避免改性添加剂用量过高时，陶瓷在烧结过程中产生的液相会更多，促进晶粒生长的同时也会导致个别晶粒异常长大，晶粒尺寸均匀性变差，反而不利于密度的提高，即当液相量超过最佳含量也不再利于致密化过程了。改性添加剂的添加量控制在一定范围内时，微波介质陶瓷在烧结时，致密度达到最好时，几乎看不到气孔，晶粒发育较完全，晶粒大小一致性较好。但超过一定值时，微波介质陶瓷的表面液相逐渐增多，晶粒大小一致性较差，将影响陶瓷的致密性。经实验证明，上述微波介质陶瓷材料具有低损耗和良好的微波介电性能介电常数ε＝40～44，且在此范围内可调节；品质因数Q*f＝45000GHz～60000GHz；频率温度系数τf＝-8.5～+15.3×10-6/℃范围内可调节，温度特性稳定。本专利技术提供了一种微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)：按照主晶相的化学表达式的化学计量比取ZrO2、SnO2、NiO、Ta2O5、TiO2后进行第一次球磨或砂磨后干燥得到第一混合物；上述，步骤(1)中，优选地，以纯度大于99.5％的ZrO2、SnO2、NiO、Ta2O5、T本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波介质陶瓷，其特征在于：包括主晶相，所述主晶相的化学表达式为(1‑x)Zr0.5Sn0.5TiO4‑x(Ni1/3Ta2/3)TiO，其中(0.1≤x≤0.3)。

【技术特征摘要】
1.一种微波介质陶瓷，其特征在于：包括主晶相和改性添加剂，所述主晶相的化学表达式为(1-x)Zr0.5Sn0.5TiO4-x(Ni1/3Ta2/3)TiO4，其中0.1≤x≤0.3；所述的改性添加剂为MnO2、CeO2、Ga2O3中的任意一种或任意两种的组合；所述的改性添加剂在微波介质陶瓷中所占的重量百分比为1wt％～5.0wt％。2.如权利要求1所述的微波介质陶瓷，其特征在于：所述的改性添加剂在微波介质陶瓷中所占的重量百分比为3wt％。3.一种如权利要求1所述的微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于：(1)按照主晶相的化学表达式的化学计量比取ZrO2、SnO2、NiO、Ta2O5、TiO2后进行第一次球磨或砂磨后干燥得到第一混合物；(2)将所述的第一混合物预烧得到粉料；(3)将所述的粉料加入改性添加剂后进行第二次球磨或砂磨，干燥后得到第二混合物；(4)将所述的第二混合物加入粘合剂造粒、压制成型后制得生坯；(5)所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少林，崔立成，顾媛，王淳，
申请(专利权)人：苏州子波电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32