可低温烧结含锂石榴石结构微波介电陶瓷Li2Ca2BiV3O12及其制备方法

摘要

本发明公开了一种可低温烧结含锂石榴石结构微波介电陶瓷Li2Ca2BiV3O12及其制备方法。介电陶瓷材料的组成化学式为：Li2Ca2BiV3O12；(1)将纯度为99.9%以上的Li2CO3、CaCO3、Bi2O3和V2O3的原始粉末，按Li2Ca2BiV3O12的组成化学式称量配料；(2)将步骤(1)原料湿式球磨混合12小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在650℃大气气氛中预烧6小时；(3)在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在700~750℃大气气氛中烧结4小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，剂量占粉末总量的3%。本发明制备的陶瓷在700~750℃烧结良好，其介电常数达到37~43，品质因数Qf值高达65000-94000GHz，谐振频率温度系数小，在工业上有着极大的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及介电陶瓷材料，特别是涉及在微波频率使用的介质谐振器、滤波器等微波元器件，以及陶瓷电容器或温度补偿电容器的介电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

微波介电陶瓷是指应用于微波频段（主要是UHF、SHF频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，在现代通讯中被广泛用作谐振器、滤波器、介质基片、介质导波回路等元器件，是现代通信技术的关键基础材料，已在便携式移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接受器、军事雷达等方面有着十分重要的应用，在现代通讯工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。

应用于微波频段的介电陶瓷，应满足如下介电特性的要求：(1)高的相对介电常数e_r以利于器件的小型化，一般要求e_r≥20；(2)高的品质因数Q值或介质损耗tanδ以降低噪音，一般要求Qf≥3000 GHz；(3) 谐振频率的温度系数t_f尽可能小以保证器件具有好的热稳定性，一般要求-10/℃≤t_f ≤+10 ppm/℃；国际上从20世纪30年代末就有人尝试将电介质材料应用于微波技术。

根据相对介电常数e_r的大小与使用频段的不同，通常可将已被开发和正在开发的微波介质陶瓷分为3类。

(1)低e_r和高Q值的微波介电陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta₂O₅,BaO-ZnO-Ta₂O₅或BaO-MgO-Nb₂O₅, BaO-ZnO-Nb₂O₅系统或它们之间的复合系统MWDC材料，其ε_r=25～30, Q=(1～2)×10⁴(在f≥10 GHz下), τ_?≈0。主要应用于f≥8 GHz的卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件。

(2)中等ε_r和Q值的微波介电陶瓷，主要是以BaTi₄O₉，Ba₂Ti₉O₂₀和（Zr、Sn）TiO₄等为基的MWDC材料,其ε_r＝35~40，Q=（6～9）×10³（在f=3～－4GHz下），t_?≤5 ppm/°C。主要用于4～8 GHz 频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件。

(3)高ε_r而Q值较低的微波介电陶瓷，主要用于0.8～4GHz 频率范围内民用移动通讯系统，这也是微波介电陶瓷研究的重点；80年代以来，Kolar、Kato等人相继发现并研究了类钙钛矿钨青铜型BaO—Ln₂O₃—TiO₂系列(Ln=La, Sm, Nd, Pr等,简称BLT系)、复合钙钛矿结构CaO—Li₂O—Ln₂O₃—TiO₂系列、铅基系列材料、Ca_1-xLn_2x/3TiO₃系等高ε_r微波介电陶瓷，其中BLT体系的BaO—Nd₂O₃—TiO₂材料介电常数达到90，铅基系列 (Pb,Ca)ZrO₃介电常数达到105。

以上这些材料体系的烧结温度一般高于1300°C，不能直接与Ag、Cu 等低熔点金属共烧形成多层陶瓷电容器，近年来，随着低温共烧陶瓷技术（Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC）的发展和微波多层器件发展的要求，国内外的研究人员对一些低烧体系材料进行了广泛的探索和研究，主要是采用微晶玻璃或玻璃-陶瓷复合材料体系，因低熔点玻璃相具有相对较高的介质损耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介质损耗，因此研制无玻璃相的低烧微波介质陶瓷材料是当前研究的重点，但是，对于用于低烧微波介质陶瓷的体系仍然比较有限，这在很大程度上限制了低温共烧技术及微波多层器件的发展；我们对石榴石结构型陶瓷NaCa₂(Mg_1-xZn_x)₂V₃O₁₂、LiCa₃Mg_1-xZn_xV₃O₁₂进行了烧结特性与微波介电性能研究，结果发现该类陶瓷具有优异的综合微波介电性能同时烧结温度低于960°C，可广泛用于各种介质基板、谐振起器、滤波器等微波器件的制造，可满足低温共烧技术及微波多层器件的技术需要；为了进一步降低烧结温度，我们发现组成为石榴石结构氧化物陶瓷Li₂Ca₂BiV₃O₁₂比NaCa₂(Mg_1-xZn_x)₂V₃O₁₂、LiCa₃Mg_1-xZn_xV₃O₁₂等具更低的烧结温度，同时具有更高介电常数与更近零的谐振频率的温度系数，因此具有更优异的综合性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种可低温烧结含锂石榴石结构微波介电陶瓷Li₂Ca₂BiV₃O₁₂及其制备方法。

本发明涉及的可低温烧结含锂石榴石结构微波介电陶瓷的组成化学式为：Li₂Ca₂BiV₃O₁₂。

上述可低温烧结含锂石榴石结构微波介电陶瓷的制备方法具体步骤为：

(1)将纯度为99.9%以上的Li₂CO₃、CaCO₃、Bi₂O₃和V₂O₃的原始粉末按Li₂Ca₂BiV₃O₁₂化学式称量配料；

(2)将步骤(1)原料湿式球磨混合12小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在650℃大气气氛中预烧6小时；

(3)在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在700~750℃大气气氛中烧结4小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，剂量占粉末总量的3%。

本发明制备的陶瓷在700~750℃烧结良好，其介电常数达到37~43，品质因数Qf值高达65000-94000GHz，谐振频率温度系数小，在工业上有着极大的应用价值。

具体实施方式

实施例：

表1示出了构成本发明的不同烧结温度的4个具体实施例及其微波介电性能；其制备方法如上所述，用圆柱介质谐振器法进行微波介电性能的评价。

本陶瓷可广泛用于各种介质谐振起器、滤波器等微波器件的制造，可满足移动通信、卫星通信等系统的技术需要。

本发明决不限于以上实施例,具有与Bi等相似结构与化学性质的元素如La、 Eu、Y、Ce、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu等也可以做出与本发明类似晶体结构与性能的的介电陶瓷。

表1：