一种微波陶瓷介质材料、制备方法及用途.pdf

本发明公开了一种微波陶瓷介质材料、制备方法及用途。其由主晶相和改性掺杂剂组成，所述主晶相结构式为(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3，式中0.82≤x≤0.91，0.35≤y≤0.55；所述改性掺杂剂是Ta2O5、Co3O4、Al2O3、MnO2、SiO2中的一种或几种。所述主晶相为90～99重量％，改性掺杂剂为1～10重量％。本发明所述微波陶瓷介质材料颗粒分布均匀，具有较高的品质因数，和近乎零的频率温度系数，微波性能优越，可用于微波器件，为国内提供高性能的微波陶瓷材料，有效降低对进口材料的依赖。同时能有效改善微波器件在微波频段的信噪比，降低器件的发热几率，从而减少功率消耗。

权利要求书1.  一种(BaMg)(ZrSn)O3系的微波陶瓷介质材料，由主晶相和改性掺杂剂组成，其特征在于，所述主晶相结构式为(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3，式中0.82≤x≤0.91，0.35≤y≤0.55；所述的改性掺杂剂是Ta2O5、Co3O4、Al2O3、MnO2、SiO2中的一种或几种。2.  权利要求1所述微波陶瓷介质材料，其特征在于，按重量百分比计，所述主晶相(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3为90～99％，改性掺杂剂为1～10％。3.  权利要求1所述微波陶瓷介质材料，其特征在于，按重量百分比计，所述的改性掺杂剂组成是Ta2O5为0～2.8％，Co3O4为0～0.8％，Al2O3为0～1.2％，MnO2为0～0.7％，SiO2为1～5％。4.  权利要求1所述微波陶瓷介质材料，其特征在于，所述微波陶瓷介质材料的相对介电常数εr＝40～46，Q*f>12000GHz，频率温度系数τf<10ppm/℃(-60～+85℃)。5.  权利要求1-4任一所述微波陶瓷介质材料，其特征在于，制备方法为，1)选用BaCO3、MgO、ZrO2、SnO2作为主要原材料，按照结构式(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3的组成配料，加入氧化锆球和去离子水球磨10～20小时，出料干燥后在1280℃～1380℃预烧3～5小时，得到(BaxMg1-x)(ZrySn1-x)O3粉料。2)在所得(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3粉料中按设定的比例加入所述改性掺杂剂，再加入氧化锆球和去离子水球磨10～20小时，出料干燥后添加PVA粘合剂造粒，在20～50MPa的压力下成型，把成型后的坯片在1400℃～1500℃的温度下保温3～5小时进行烧结，即可得到微波陶瓷介质材料。6.  权利要求1所述微波陶瓷介质材料，其特征在于，所述球磨时配料或改性掺杂剂、球、水的重量比例为配料或改性掺杂剂∶球∶水＝1∶4～6∶1～2。7.  一种权利要求1-6任一所述微波陶瓷介质材料的制备方法，其特征在于，步骤为，1)选用BaCO3、MgO、ZrO2、SnO2作为主要原材料，按照结构式(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3的组成配料，加入氧化锆球和去离子水球磨10～20小时，出料干燥后在1280℃～1380℃预烧3～5小时，得到(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3粉料。2)在所得(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3粉料中按设定的比例加入所述改性掺杂剂，再加入氧化锆球和去离子水球磨10～20小时，出料干燥后添加PVA粘合剂造粒，在20～50MPa的压 力下成型，把成型后的坯片在1400℃～1500℃的温度下保温3～5小时进行烧结，即可得到微波陶瓷介质材料。8.  权利要求7所述微波陶瓷介质材料的制备方法，其特征在于，所述球磨时配料或改性掺杂剂、球、水的重量比例为配料或改性掺杂剂∶球∶水＝1∶4～6∶1～2。9.  权利要求1-6任一所述微波陶瓷介质材料或权利要求7-8任一所述方法制备得到的微波陶瓷介质材料用于微波器件的用途。

说明书一种微波陶瓷介质材料、制备方法及用途
技术领域
本发明涉及陶瓷介质材料领域，尤其涉及一种微波陶瓷介质材料、制备方法及用途。
背景技术
微波陶瓷介质材料是微波器件的关键材料，在滤波器、微波谐振器、微波天线以及双工器等器件的制造中被广泛使用，在移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统(GPS)、无线接入、以及蓝牙技术等现代微波通信技术中有着十分重要的应用。随着微波器件向小型化、集成化、低成本等方向发展，目前微波介质材料已日益受到关注，并有一系列用于各个微波频段的材料被广泛使用。目前，国内开发应用的微波陶瓷介质材料普遍性能偏低，主要表现为用这种微波陶瓷材料制造的器件，在微波频段的信噪比差，功率消耗大等，这些问题的存在严重制约了国内微波陶瓷介质材料行业的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效改善微波器件在微波频段的信噪比，降低器件的发热几率，从而减少功率消耗的具有中介电常数、高Q值的微波陶瓷介质材料。
为实现上述目的，本发明提供一种(BaMg)(ZrSn)O3系的微波陶瓷介质材料，由主晶相和改性掺杂剂组成，其特征在于，所述主晶相结构式为(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3，式中0.82≤x≤0.91，0.35≤y≤0.55；所述的改性掺杂剂是Ta2O5、Co3O4、Al2O3、MnO2、SiO2中的一种或几种。
进一步，按重量百分比计，主晶相(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3为90～99％，改性掺杂剂为1～10％。
进一步，按重量百分比计，所述的改性掺杂剂组成是Ta2O5为0～2.8％，Co3O4为0～0.8％，Al2O3为0～1.2％，MnO2为0～0.7％，SiO2为1～5％。
进一步，所述微波陶瓷介质材料的相对介电常数εr＝40～46，Q*f＞12000GHz，频率温度系数τf＜10ppm/℃(-60～+85℃)。
进一步，所述微波陶瓷介质材料的制备方法为，
1)选用BaCO3、MgO、ZrO2、SnO2作为主要原材料，按照结构式(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3的组成配料，加入氧化锆球和去离子水球磨10～20小时，出料干燥后在1280℃～1380℃预烧3～5小时，得到(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3粉料。
2)在所得(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3粉料中按设定的比例加入所述改性掺杂剂，再加入氧化锆球和去离子水球磨10～20小时，出料干燥后添加PVA粘合剂造粒，在20～50MPa的压力下成型，把成型后的坯片在1400℃～1500℃的温度下保温3～5小时进行烧结，即可得到微波陶瓷介质材料。
进一步，球磨时配料或改性掺杂剂、球、水的重量比例为配料或改性掺杂剂∶球∶水＝1∶4～6∶1～2
本发明的另一个方面，还提供一种所述微波陶瓷介质材料的制备方法，其特征在于，步骤为，
1)选用BaCO3、MgO、ZrO2、SnO2作为主要原材料，按照结构式(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3的组成配料，加入氧化锆球和去离子水球磨10～20小时，出料干燥后在1280℃～1380℃预烧3～5小时，得到(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3粉料。
2)在所得(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3粉料中按设定的比例加入所述改性掺杂剂，再加入氧化锆球和去离子水球磨10～20小时，出料干燥后添加PVA粘合剂造粒，在20～50MPa的压力下成型，把成型后的坯片在1400℃～1500℃的温度下保温3～5小时进行烧结，即可得到微波陶瓷介质材料。
进一步，所述球磨时配料或改性掺杂剂、球、水的重量比例为配料或改性掺杂剂∶球∶水＝1∶4～6∶1～2。
所述微波陶瓷介质材料或用于微波器件的用途。
本发明通过调节微波陶瓷介质材料的配方组成，采用湿法超细研磨处理，得到一种材料颗粒分布均匀，适用于微波器件介质的微波陶瓷介质材料。同时本发明所得微波陶瓷介质材料是一种能有效改善微波器件在微波频段的信噪比，降低器件的发热几率，从而减少功率消耗的具有中介电常数、高Q值的微波陶瓷介质材料。本发明通过合成一种多元复合物作为主晶相，具有较高的品质因数，和近乎零的频率温度系数，微波性能优越，为国内提供高性能的微波陶瓷材料，有效降低对进口材料的依赖。
本发明采用具有优良微波介电性能的Ba、Mg、Zr和Sn组成的复合化合物作为主晶相，并通过调整主晶相的化学组成来调整材料的介电常数，掺杂主要是优化陶瓷的性能， 如少量Ta2O5、Co3O4掺杂能促进陶瓷晶粒的有序生长，减少内部缺陷，有利于提高品质因数，Al2O3或SiO2能提高陶瓷烧结体的致密性，MnO2能有效抑制陶瓷晶粒异常生长，虽然掺杂剂对于提高陶瓷性能是有效的，但添加量超出一定范围时，陶瓷的内部缺陷反而增加，微波性能恶化，因此，本发明使用了Ta2O5、Co3O4、Al2O3、MnO2、SiO2作为改性掺杂剂，对陶瓷的品质因数、烧结温度、烧结致密性作进一步的优化，以拓宽材料的工艺范围，提高微波器件的可靠性，获得具有优异介电性能的微波陶瓷材料。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1：微波陶瓷介质材料的制备
原料：见表1
制备方法：步骤如下：
步骤一：主晶相的合成：以BaCO3、MgO、ZrO2和SnO2为原料，当x＝0.82，y＝0.47时，按照结构式(Ba0.82Mg0.18)(Zr0.47Sn0.53)O3的组成进行配料，将配好的混合料装入预先装有氧化锆球的球磨罐中，加入去离子水，球磨15小时，出料干燥后在1300℃预烧4小时得到所述(Ba0.82Mg0.18)(Zr0.47Sn0.53)O3主晶相材料。
步骤二：在上述(Ba0.82Mg0.18)(Zr0.47Sn0.53)O3主晶相中加入如表1所示的改性掺杂剂，以氧化锆球和去离子水为磨介，球磨20小时。
步骤三：将步骤二中的球磨后的浆料出料干燥后加入PVA粘合剂造粒，在20MPa的压力下成型得到生坯。
步骤四：将步骤三中的生坯在空气炉中设定温度为1400℃～1500℃，保温3～5小时进行烧结，自然冷却后得到陶瓷样品。
步骤五：将步骤四中陶瓷样品的两表面进行抛光整平、用安捷伦的E5071C网络分析仪测试介电性能，得到的介电性能结果见表2。
表1(Ba0.82Mg0.18)(Zr0.47Sn0.53)O3微波陶瓷介质材料组成表

表2：(Ba0.82Mg0.18)(Zr0.47Sn0.53)O3微波陶瓷介电性能表

从表1和2可以看出，随着陶瓷材料中主晶相比例的增加，陶瓷的介电常数呈上升趋势，频率温度系数往负值方向移动，同时也要求更高的烧结温度。
实施例2：微波陶瓷介质材料的制备
原料：见表3
制备方法：步骤如下：
步骤一：主晶相的合成：以BaCO3、MgO、ZrO2和SnO2为原料进行配料，具体配方组成见表3，将配好的混合料装入预先装有氧化锆球的球磨罐中，加入去离子水，球磨15小时，出料干燥后在1300℃预烧4小时得到所述主晶相材料。
步骤二：在上述主晶相中加入如表3所示相同组成的改性掺杂剂，以氧化锆球和去离子水为磨介，球磨20小时。
步骤三：将步骤二中的球磨后的浆料出料干燥后加入PVA粘合剂造粒，在20MPa的压力下成型得到生坯。
步骤四：将步骤三中的生坯在空气炉中设定温度为1400℃～1420℃，保温3小时进行烧结，自然冷却后得到陶瓷样品。
步骤五：将步骤四中陶瓷样品的两表面进行抛光整平、用安捷伦的E5071C网络分析仪测试介电性能，得到的介电性能结果见表4。
(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3，式中0.82≤x≤0.91，0.35≤y≤0.55；
表3(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3微波陶瓷介质材料组成表

表4：(BaxMg1-x)(ZrySn1-y)O3微波陶瓷介电性能表

从表3和4可以看出，当添加的改性掺杂剂不变，陶瓷材料主晶相中x、y取值变化时，陶瓷的烧结温度略有改变，陶瓷的τf值也发生变化，而介电常数变化不明显。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。