一种微波通信用高热导、介电常数可调的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微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料及其制备方法，属于微波介质陶瓷领域。其材料包括85

【技术实现步骤摘要】
一种微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及微波介质陶瓷
，具体涉及一种微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]5G（第五代）通信是今后几十年世界各国手机通信、WIFI、蓝牙、物联网等移动与无线通信技术的主要发展方向。天线材料中的滤波器、振荡器和谐振器作为 5G 时代的核心部件，广泛用于发射站、电子终端等器件中。伴随着移动通讯系统用电子器件向着小型化、集成化、轻量化发展，对上述关键部件中的微波介质材料提出来更高的性能要求。
[0003]微波介质材料在移动通讯系统（300MHz~300GHz）中作为电磁信号的接收、传输、变换与隔离器件的介质材料使用，按材料的属性分为金属、聚合物和陶瓷介质材料。金属与聚合物因其介电损耗大、金属屏蔽以及热导率与抗老化性差，不适合作为高品质5G以上介质材料使用。陶瓷材料具有介电损耗低、温度稳定性好、机械与抗老化性良好等优良特点，已成为5G微波介质材料的主要发展方向。
[0004]陶瓷材料作为微波介质一般以氧化物为主，如钛酸钙（CaTiO3）等，虽具有较高的介电常数，但其导热系数差（CaTiO3的导热系数为4W
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−1），在长时间使用过程中造成热量堆积，对器件中热稳定性较差的有机物封装材料有致命的损伤作用，这恰恰是造成器件老化的主要原因。非金属陶瓷材料的导热机理主要为依靠声子的热能量子之间的相互作用。而陶瓷的晶界对声子散射产生的热阻晶界处往往含有较多的杂质原子、空位和位错等缺陷，导致晶格振动的非谐振性增加，从而降低了陶瓷器件的导热率。通过对陶瓷材料的晶界工程可有望提高基体的导热率。同时，随着各个核心部件的性能标准细化和个性化的发展，微波介质材料的介电常数的可调性能够拓展其应用场景，具有重要的应用价值。

技术实现思路

[0005]为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本专利技术的目的在于提供一种结构致密的微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料；本专利技术的另一目的在于提供制得上述微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料的方法。
[0006]本专利技术为达到上述目的，具体通过以下技术方案得以实现的：一种微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料，所述微波介质陶瓷材料包括85
‑
99wt%的钛酸钙（CaTiO3）和1
‑
15wt%的硼化锆（ZrB2），其中钛酸钙为微波陶瓷介质基体相，所述硼化锆为导热与调控介电常数相。
[0007]进一步地，所述微波介质陶瓷材料的相对密度为98%以上，导热系数为10
‑
30W
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−1·
K
−1以上，介电常数调节范围为100
‑
160。
[0008]本专利技术还提供一种微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将CaTiO3与ZrB2进行配料，然后以无水乙醇为介质球磨，然后烘干，得到CaTiO3‑
ZrB2陶瓷粉末；S2、将S1得到的CaTiO3‑
ZrB2陶瓷粉末与冰醋酸溶液混合，得到固液混合物；S3、将S2得到的固液混合物进行冷烧结处理，经干燥后退火，得到所述微波介质陶瓷材料。
[0009]进一步地，所述步骤S1中，球磨为通过卧式球磨机球磨，球磨转速为120
‑
200r/min，球磨时间为10
‑
24h；烘干为在90℃条件下烘干。
[0010]进一步地，所述步骤S2中，冰醋酸溶液的浓度为1
‑
9mol/L，所述陶瓷粉末与冰醋酸溶液的质量比为80
‑
90wt%。
[0011]进一步地，所述步骤S3中，冷烧结的温度为140
‑
160℃，冷烧结的压力为600
‑
900MPa，冷烧结的时间为70
‑
100min，冷烧结的升温和降温速率均为3
‑
8℃/min。
[0012]进一步地，所述步骤S3中，干燥的温度为80
‑
120℃，时间为20
‑
30h。
[0013]进一步地，所述步骤S3中，退火条件为以3
‑
8℃/min的速率升温至800
‑
950℃，保温3
‑
5h。
[0014]本专利技术的微波介质陶瓷材料将高导热的硼化锆作为第二相引入至钛酸钙基体陶瓷中作为陶瓷填料，形成硼化锆晶界均匀包覆钛酸钙晶粒的微观结构，降低晶界处对声子导热的散射作用，增强声子通过晶界相的快速传递，发挥各自的性能优势和协同作用。
[0015]在高介电常数（ε
r
=175）和较高的品质因子的钛酸钙（CaTiO3）中添加高导热（80~140 W
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−1）和高稳定性的硼化锆（ZrB2），利用其低介电常数的性质对微波介质陶瓷的介电常数进行调控，同时通过球磨结合冷烧结的工艺，使得ZrB2均匀包裹CaTiO3晶粒，能够减少晶界处对声子的散射，使得ZrB2充当快速导热通道，可以让声子不被CaTiO3基体中的各种缺陷和晶界散射，声子优先通过导热率更高的ZrB2更快速的传递出去，使钛酸钙的导热系数得到有效提高，使其成为稳定性和兼容性好的微波介电陶瓷材料。有效提升了整体的导热性能和介电常数的可调性，对面向现代微波通信用的5G天线的小型化和高性能化具有促进作用。此外，该专利技术的制备方法基于冷烧结方法，能够在较低温度范围内实现致密化，且制备过程简单，烧结温度低，节约能耗。
实施方式
[0016]以下结合下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。
[0017]本专利技术涉及一种微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料及其制备方法，属于微波介质陶瓷领域。所述微波介质陶瓷材料包括85
‑
99wt%的钛酸钙（CaTiO3）和1
‑
15wt%的硼化锆（ZrB2），钛酸钙为微波陶瓷介质基体相，所述硼化锆为导热与调控介电常数相。
[0018]所述制备方法是冷烧结辅助低温致密化陶瓷，该方法首先将陶瓷粉末与冰醋酸溶液混合，得到固液混合物，再将所述固液混合物进行冷烧结处理，经干燥后退火，得到陶瓷块体，其中，冰醋酸溶液的浓度为1
‑
9mol/L，所述陶瓷粉末与冰醋酸溶液的质量比为80
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90wt%。冷烧结的温度为140
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160℃，冷烧结的压力为600
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900MPa，冷烧结的时间为30
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...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述微波介质陶瓷材料包括85
‑
99wt%的钛酸钙（CaTiO3）和1
‑
15wt%的硼化锆（ZrB2），其中所述钛酸钙为微波陶瓷介质的基体相，所述硼化锆为导热与调控介电常数相。2.根据权利要求1所述的微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述微波介质陶瓷材料的相对密度为98%以上，导热系数为10
‑
30W
·
m
−1·
K
−1，介电常数调节范围为100
‑
160。3.一种微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将CaTiO3与ZrB2进行配料，然后以无水乙醇为介质球磨，然后烘干，得到CaTiO3‑
ZrB2陶瓷粉末；S2、将S1得到的CaTiO3‑
ZrB2陶瓷粉末与冰醋酸溶液混合，得到固液混合物；S3、将S2得到的固液混合物进行冷烧结处理，经干燥后退火，得到所述微波介质陶瓷材料。4.根据权利要求3所述的微波通信用高热导、介电常数可调的微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，球磨为通过卧式球磨机球磨，球磨转速为120
‑
2...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙世宽，郝鹏伟，黄语嘉，杨志，王修才，陈旻，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：