超低介电损耗微波介电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高品质因数微波介电陶瓷材料及其制备方法。该陶瓷材料主体为Ba3La2‑xGa1+xM3O15(M＝Nb，Ta)，其中0≤x≤0.55，加以重量百分比为0.5％～1.5％的BaCu(B2O5)。该材料通过传统的高温固相合成法制备，在二次球磨过程中添加少量分散剂，随后在热环境下超声振动，使样品粉体颗粒不易团聚。由此制备的材料在1240℃～1260℃下烧结良好，介电常数为31.8～34.3，其品质因数Qf值高达94000‑126000GHz，谐振频率温度系数小。同时本发明专利技术首次公开了Ba3La2‑xGa1+xM3O15(M＝Nb，Ta)，其中0≤x≤0.55陶瓷具有良好的微波介电性能。

Ultra low dielectric loss microwave dielectric ceramic material and preparation method thereof

The invention discloses a high quality factor microwave dielectric ceramic material and a preparation method thereof. The main body of the ceramic material is Ba3La2 xGa1+xM3O15 (M = Nb, Ta), where 0 or less x is less than 0.55, and the weight percentage is 0.5% to 1.5% BaCu (B2O5). The material is prepared by the traditional high temperature solid phase synthesis method. A small amount of dispersant is added to the two ball milling process, and then the ultrasonic vibration in the thermal environment makes the particles of the sample powder difficult to reunite. The prepared materials are sintered well at 1240 ~ 1260 C, the dielectric constant is 31.8 ~ 34.3, the quality factor Qf is up to 94000 126000GHz, and the temperature coefficient of the resonant frequency is small. At the same time, the Ba3La2 xGa1+xM3O15 (M = Nb, Ta) is first published in the invention, of which 0 or less x 0.55 ceramics have good microwave dielectric properties.

【技术实现步骤摘要】
超低介电损耗微波介电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及介电陶瓷材料，特别是涉及用于制造微波频率使用的陶瓷基板、谐振器与滤波器等微波元器件的介电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
近年来现代通信技术迅速发展，传统的2G～4G通信网络难以满足越来越高的信息传输速度的要求。国内外加快推进了5G通讯网络的研究与测试，与2G～4G通信网络采用的2.5GHz通信频段不同，5G通讯网络要求以28GHz的Ka波段作为通讯波段。对于微波介质陶瓷而言，要满足28GHz的通信频率要求，其品质因数需要≥90000GHz，然而满足如此高品质因数的微波介电陶瓷很少，而且由于微波介电陶瓷的三个性能指标(εr与Q·f和τf)之间是相互制约的关系(见文献：微波介质陶瓷材料介电性能间的制约关系，朱建华，梁飞，汪小红，吕文中，电子元件与材料，2005年3月第3期)，同时满足中高介电常数、高品质因数和近零谐振频率温度系数要求的单相微波介质陶瓷尤其稀缺。比如最近报道的Ba3Zn(Nb2-xMox)O9+x/2(CN107382314A)、Mg2.5+xTaNbO7.5+x+ywt％B2O3+zwt％C(CN107382313A)等陶瓷的品质因数在90000GHz以上，但Ba3Zn(Nb2-xMox)O9+x/2的烧结温度均在1400℃以上，过程耗能大，x取值范围极窄(x＝0.006-0.009)；Mg2.5+xTaNbO7.5+x+ywt％B2O3+zwt％C(0≤x≤0.2)也需要严格控制x的比例，x取值区间窄小，一旦超出区间容易生成杂相从而致使性能下降，不利于实际生产过程，而且它们的介电常数均小于20，不利于器件的小型化和高集成化，这些都严重制约了它们的实际应用。目前对微波介质陶瓷的研究大部分是通过大量实验而得出的经验总结,却没有完整的理论来阐述微观结构与介电性能的关系，而且也无法在理论上从化合物的组成与结构上预测其谐振频率温度系数和品质因数等微波介电性能。更重要的是，微波介质陶瓷材料的制备工艺也是影响材料微波介电性能的主要因素之一，从已商业化的微波介质陶瓷到近来综合微波介电性能较好的微波介质陶瓷材料，其主要的制备方法是通过高温固相合成法，这是因为该方法技术成熟，工艺简单，生产效率高，相对于溶胶凝胶法，水热法等为代表的湿化学法在工业生产上更具有可操作性和经济价值，但高温固相合成法其固有的缺点，如能耗大、球磨后颗粒易团聚等仍应引起该领域的足够重视。
技术实现思路
基于上述问题，本专利技术的目的是提供一种新型超低介电损耗的微波介电陶瓷材料以及制备该微波介电陶瓷材料的方法。该微波介电陶瓷材料具有良好的热稳定性与低损耗，同时烧结温度低于1300℃，而且材料中的主体化合物为首次报道具有良好微波介电性能的化合物。为了克服现有技术的不足，本专利技术提供的技术方案是：一种超低介电损耗微波介电陶瓷材料，其特征在于所述陶瓷材料包括主体和占主体重量百分比为0.5％～1.5％的BaCu(B2O5)，所述主体为Ba3La2-xGa1+xM3O15(M＝Nb，Ta)，其中0≤x≤0.55；该陶瓷材料的微波介电性能为：介电常数为31.8～34.3，品质因数Qf为94000～126000GHz，谐振频率温度系数为-40ppm/℃～23.9ppm/℃；该超低介电损耗微波介电陶瓷材料的制备方法，具有如下步骤：(1)主体的制备：以BaCO3、La2O3、Ga2O3、Nb2O5及Ta2O5为原料，先将La2O3在880℃预烧8小时；然后将这些原料按照Ba3La2-xGa1+xM3O15(M＝Nb，Ta)，其中0≤x≤0.55化学计量比称量并混合；然后将称量好的原料进行湿式球磨，球磨2小时；球磨后烘干得到原料混合物粉体，将粉体压制成块状体，在1220℃下保温4小时，得到主体的样品烧块；(2)将步骤(1)中主体的样品烧块研磨碎，再将占主体重量百分比为0.5％～1.5％的BaCu(B2O5)与主体样品混合作为样品并放入球磨罐内，球磨罐内预先装有氧化锆球和去离子水；将球磨罐放进球磨机，设置球磨机的公转转速为每分钟280rpm，湿式球磨2小时后停止；往球磨罐内加入少量分散剂，然后以球磨罐自转方式，转速为每分钟300rpm进行球磨1小时，球磨后烘干得样品粉体；(3)将烘干的样品粉体放入装有适量一定配比的去离子水和乙醇混合液的球磨罐内，再将该球磨罐放至超声清洗机中，超声清洗机中装有水，球磨罐固定于水中，水的高度为球磨罐高度一半；设定超声清洗机的加热保温程序，加热清洗机内的水至40℃并在此温度保温；然后合上球磨罐盖子，开启超声振动，样品粉体在密封环境下被超声振动，超声频率为50kHz，超声振动30分钟；然后除去球磨罐盖子，加热超声清洗机中水的温度至95℃并保温该温度，超声振动30分钟，超声频率为30kHz；(4)超声振动结束后烘干，得到样品粉体，然后造粒、过筛，将过筛后的颗粒压制成型，然后在1240℃～1260℃下烧结4小时成瓷，得到超低介电损耗微波介电陶瓷材料。优选的，在该超低介电损耗微波介电陶瓷材料的制备方法中，所述的分散剂为聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠及聚乙二醇的混合物液体，且该分散剂的添加量为样品质量的0.1％；聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠及聚乙二醇的质量比为3:1:1:1。优选的，在该超低介电损耗微波介电陶瓷材料的制备方法中，步骤(3)中的去离子水和乙醇混合液由以下配比组成：去离子水重量：乙醇重量＝1：9。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1.采用本专利技术的技术方案，以首次报道具有良好微波介电性能的Ba3La2-xGa1+xM3O15(M＝Nb，Ta)，其中0≤x≤0.55为主体，添加极少量的BaCu(B2O5)，通过高温烧结可得高品质因数且温度稳定性好的、综合微波介电性能好的微波介电陶瓷材料。2.本专利技术采用的技术方案，在传统的高温固相合成法上进一步完善，通过在二次球磨过程中添加适量的、合适配方的陶瓷粉末分散剂，使得球磨后的样品粉末颗粒不易团聚，然后再通过在高温水环境中对样品进行超声振动，同时在高温下水和乙醇混合液的挥发，使得样品在液体中更好避免分子团聚，样品颗粒更细，而且能够初步分离二次球磨所添加的分散剂，所得的样品经过烧结得到的微波介电陶瓷更致密，性能更优越。具体实施方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本专利技术而不限于限制本专利技术的范围。实施例1(1)主体的制备：以BaCO3、La2O3、Ga2O3及Nb2O5为原料，先将La2O3在880℃预烧8小时；然后将这些原料按照Ba3La2GaNb3O15化学计量比称量并混合；然后将称量好的原料进行湿式球磨，球磨2小时；球磨后烘干得到原料混合物粉体，将粉体压制成块状体，在1220℃下保温4小时，得到主体的样品烧块；(2)将步骤(1)中主体的样品烧块研磨碎，再将占主体重量百分比为1.5％的BaCu(B2O5)与主体样品混合作为样品并放入球磨罐内，球磨罐内预先装有氧化锆球和去离子水；将球磨罐放进球磨机，设置球磨机的公转转速为每分钟280rpm，湿式球磨2小时后停止；往球磨罐内加入少量分散剂，然后以球磨罐自转方式，转速为每分钟300rpm进行球磨1小时，球磨后烘干得样品粉体；(3)将烘干的样品粉体放入装有适本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超低介电损耗微波介电陶瓷材料，其特征在于所述陶瓷材料包括主体和占主体重量百分比为0.5％～1.5％的BaCu(B2O5)，所述主体为Ba3La2‑xGa1+xM3O15(M＝Nb，Ta)，其中0≤x≤0.55；该陶瓷材料的微波介电性能为：介电常数为31.8～34.3，品质因数Qf为94000～126000GHz，谐振频率温度系数为‑40ppm/℃～23.9ppm/℃；该超低介电损耗微波介电陶瓷材料的制备方法，具有如下步骤：(1)主体的制备：以BaCO3、La2O3、Ga2O3、Nb2O5及Ta2O5为原料，先将La2O3在880℃预烧8小时；然后将这些原料按照Ba3La2‑xGa1+xM3O15(M＝Nb，Ta)，其中0≤x≤0.55的化学计量比称量并混合；然后将称量好的原料进行湿式球磨，球磨2小时；球磨后烘干得到原料混合物粉体，将粉体压制成块状体，在1220℃下保温4小时，得到主体的样品烧块；(2)将步骤(1)中主体的样品烧块研磨碎，再将占主体重量百分比为0.5％～1.5％的BaCu(B2O5)与主体样品混合作为样品并放入球磨罐内，球磨罐内预先装有氧化锆球和去离子水；将球磨罐放进球磨机，设置球磨机的公转转速为每分钟280rpm，湿式球磨2小时后停止；往球磨罐内加入少量分散剂，然后以球磨罐自转方式，转速为每分钟300rpm进行球磨1小时，球磨后烘干得样品粉体；(3)将烘干的样品粉体放入装有适量一定配比的去离子水和乙醇混合液的球磨罐内，再将该球磨罐放至超声清洗机中，超声清洗机中装有水，球磨罐固定于水中，水的高度为球磨罐高度一半；设定超声清洗机的加热保温程序，加热清洗机内的水至40℃并在此温度保温；然后合上球磨罐盖子，开启超声振动，样品粉体在密封环境下被超声振动，超声频率为50kHz，超声振动30分钟；然后除去球磨罐盖子，加热超声清洗机中水的温度至95℃并保温该温度，超声振动30分钟，超声频率为30kHz；(4)超声振动结束后烘干，得到样品粉体，然后造粒、过筛，将过筛后的颗粒压制成型，然后在1240℃～1260℃下烧结4小时成瓷，得到超低介电损耗微波介电陶瓷材料。...

【技术特征摘要】
1.一种超低介电损耗微波介电陶瓷材料，其特征在于所述陶瓷材料包括主体和占主体重量百分比为0.5％～1.5％的BaCu(B2O5)，所述主体为Ba3La2-xGa1+xM3O15(M＝Nb，Ta)，其中0≤x≤0.55；该陶瓷材料的微波介电性能为：介电常数为31.8～34.3，品质因数Qf为94000～126000GHz，谐振频率温度系数为-40ppm/℃～23.9ppm/℃；该超低介电损耗微波介电陶瓷材料的制备方法，具有如下步骤：(1)主体的制备：以BaCO3、La2O3、Ga2O3、Nb2O5及Ta2O5为原料，先将La2O3在880℃预烧8小时；然后将这些原料按照Ba3La2-xGa1+xM3O15(M＝Nb，Ta)，其中0≤x≤0.55的化学计量比称量并混合；然后将称量好的原料进行湿式球磨，球磨2小时；球磨后烘干得到原料混合物粉体，将粉体压制成块状体，在1220℃下保温4小时，得到主体的样品烧块；(2)将步骤(1)中主体的样品烧块研磨碎，再将占主体重量百分比为0.5％～1.5％的BaCu(B2O5)与主体样品混合作为样品并放入球磨罐内，球磨罐内预先装有氧化锆球和去离子水；将球磨罐放进球磨机，设置球磨机的公转转速为每分钟280rpm，湿式球磨2小时后停止；往球磨罐内加入少量分散剂，然后以球磨罐自转方式，转速为每分钟300rpm进行球磨1小时，球磨后烘干得样品粉体；(3)将烘干的样品粉体放入装有适量一定配比的去离子水和乙醇混合液的球磨罐内，再将该球...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏聪学，覃杏柳，张志伟，苏启武，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西,45