高频高介电常数微波介质陶瓷及其加工方法

摘要

一种高频高介电常数微波介质陶瓷及其加工方法,由优化的BaO－TiO2－Ta2O5系列和BaO－TiO2－Bi2O3系列陶瓷粉料用一定量的纳米级Zn、Sn、Mg、Ni、La、Dy液相添加料经搅磨混合、喷雾干燥和烧制后得到,用本粉料制备得到微波电子陶瓷器件其性能超过日本富士通公司微波介质陶瓷样品有关性能指标。

说明书

本发明涉及一种陶瓷材料及其加工，确切地说是一种高频高介电常数微波介质陶瓷及其加工方法。

微波介质陶瓷是电子、信息、计算机、通信、激光、自动化、航空航天等高技术领域的关键材料。随着移动通信、微波通信的高速发展，新一代3G标准(通信频率高达5-6GHz)正在全球范围内迅猛地推广开来，传统的微波介质陶瓷材料已经不能适应新一代标准的性能要求，自主开发高性能微波介质陶瓷材料，以满足移动通信、微波通信用介质谐振器、介质滤波器等小型化、模块化的需要迫在眉睫。

衡量微波介质材料性能的主要指标为品质因子(Q，即介电损耗)、介电常数(ε)和介电常数温度系数(τ_f，简称温度系数)。鉴于微波电子陶瓷器件需要小型化、模块化，要求材料的ε越来越大，但现有传统的BaO-TiO₂-Ta₂O₅系列和BaO-TiO₂-Nd₂O₃-Bi₂O₃系列材料ε≥100的很少，而且ε大时其Q往往较低(高介电损耗)且τ_f较大，尤其是当ε＞100时，其Q急剧降低，因而不能满足微波介质陶瓷器件小型化、模块化的需要。

本发明旨在提供高性能的微波介质陶瓷材料，以满足微波介质陶瓷器件小型化、模块化的需要。

本发明首先在优化的陶瓷配方基础上制备得到主要成分的陶瓷粉料，再适当添加纳米材料组份，经加工后得到高性能微波介质陶瓷，具体如下：

1、BaO             10-56

   TiO₂            9-59

   Ta₂O₅          13-26

   纳米级Ni或Sn   3-11

   纳米级Zn或Mg   2-9

各组份为摩尔百分比(摩尔％)。纳米级Ni或Sn和Zn或Mg，可以单独使用，也可以混合使用。

2、BaO              15-48mol％

   TiO₂             28-62mol％

   Nd₂O₃           3-16mol％

   Bi₂O₃           4-9mol％

   纳米级La或Dy    1-15Wt％

   纳米级La和Dy为重量百分比(Wt％)，余为摩尔百分比。

本材料的加工工艺是将纯度99.9％以上的主要成分原料按固相反应法经配料、球磨、干燥、压块、煅烧、粉碎制备得到陶瓷粉料，然后在该陶瓷粉料中按比例加入由溶液-凝胶法经溶胶、水解、缩聚、凝胶化制备得到的液相纳米材料，再经搅拌磨、喷雾造粒和烧制便得到高性能微波介质陶瓷材料粉体。其介电常数高，品质因子在应用频率范围内大于3000达到实际生产性能要求。

用本发明所提供的粉体经成型、烧结、电极后制成微波介质谐振器、介质滤波器，采用矢量网络分析仪、微波介质测试仪、高低温试验箱等仪器测试，所得数据结果为表一、表二所示。表三所示为日本富士通公司微波介质陶瓷样品有关性能指标。通过比较可以看出，本产品的ε普通较高，在相同测试频率的情况下品质因子更高，而且温度系数也比较小，性能稳定。

表一

  BaO (mol％)  TiO₂ (mol％)   Ta₂O₅  (mol％)    A (mol％)    B (mol％)   ε    Q  (GHz)    τ_f  (ppm/℃)    30    40    19    8    3  105  10000    10    23    46    20    7    4  135  9300    -8    39    24    22    9    6  165  8500    16    47    10    25    10    8  200  7000    15

表二

   BaO (mol％)  TiO₂ (mol％)  Nd₂O₃ (mol％)  Bi₂O₃ (mol％)  L₂O₃ (mol％)    ε     Q   (GHz)    τ_f  (ppm/℃)    40    50    4    5    13    205    5500    -10    29    53    10    6    15    225    4300    15    35    41    14    7    10    240    3000    20

表三

                  Mixing Power    Microwave Dielectric  Materials    Design    ε_r  f.Q       τ_f      Firing Temp                   (GHz)      ppm/℃        ℃    MBRT-54S  98    ＞4500     10＞     1310～1350    MBRT-95   94    ＞5000     10＞     1280～1300    MBRT-58   93    ＞4000     10＞     1330～1370    MBRT-90S  90    ＞3000     10＞     1260～1300    MERT-80   80    ＞2000     10＞     1260～1300    MBRT-56   50    ＞1000     10＞     1270～1310    MRT-45    45    ＞10000    ±5＞    1330～1370    MSZT-40S  37    ＞35000    ±5＞    1310～1350    MBT-40    36    ＞30000    ±5＞    1320～1360    MMCRT-30  30    ＞20000    ±5＞    1330～1370    MMCRT-25  25    ＞20000    ±5＞    1330～1370    MMT-20    20    ＞60000    ±5＞    1340～1380    MMS-08    8     ＞12000    ±15＞   1340～1380

图1、图2分别为本发明阻抗角频谱和阻抗频谱。图中可以看出滤波器高频性能好，并且稳定。

非限定实施例叙述如下。以加工100mol高频高介电常数微波介质陶瓷为例：

1、取纯度为99.9％以上的BaO 10mol、TiO₂ 59mol和Ta₂O₅ 26mol，同去离子水一起投入球磨机中球磨24小时。取出烘干，用单轴压力成型机在700-900kg/cm²条件下加工成半径5.7mm，厚3.4mm大小的圆柱体，于1100-1250℃温度条件下预烧2小时，最后冷却、粉碎，得到陶瓷粉料。

取3mol化学纯镍醇盐(Ni)和2mol化学纯锌醇盐(Zn)各溶于无水乙醇中，各加入二乙醇胺混合均匀，各加入去离子水，通过水解、缩聚反应，溶胶胶凝后，制备得到纳米级液相Ni添加料和液相Zn添加料。所述的醇盐可以是乙醇、乙二醇、聚乙二醇和正丁醇等。

将陶瓷粉料和纳米级液相添加料一起投入搅拌球磨机内搅磨混合均匀，经喷雾干燥，在700℃-950℃环境下烧制0.5-1.5小时，制备得到高频高介电常数的微波介质陶瓷粉料。

上述粉料经成型、烧结、被电极后就可得到各种微波介质陶瓷器件如谐振器、滤波器等。

2、BaO 56mol、TiO₂ 26mol、Ta₂O₅ 13mol，锡醇盐(Sn)3mol，镁醇盐(Mg)2mol，加工同实施例1。

3、BaO 45mol、TiO₂ 9mol、Ta₂O₅ 26mol，镍醇盐(Ni)11mol，镁醇盐(Mg)9mol，加工同实施例1。

4、BaO 43mol、TiO₂ 30mol、Ta₂O₅ 15mol，镍醇盐(Ni)3mol，锡醇盐(Sn)3mol，镁醇盐(Mg)2mol加工同实施例1。

5、BaO 30mol、TiO₂ 40mol、Ta₂O₅ 20mol，镍醇盐(Ni)3mol，锡醇盐(Sn)3mol，锌醇盐(Zn)4mol加工同实施例1。

6、BaO 35mol、TiO₂ 35mol、Ta₂O₅ 15mol，锡醇盐(Sn)9mol，锌醇盐(Zn)2mol，镁醇盐(Mg)4mol加工同实施例1。

7、取BaO 15mol，TiO₂ 62mol、Nd₂O₃ 13mol、Bi₂O₃ 9mol，用固相反应法制得该主要成分的陶瓷粉料后称重，再按重量百分比(重量％)1～15％计算加工纳米级液相镧(La)或镝(Dy)添加料，下同。在本例中，取镧醇盐(La)1％，以后的加工同实施例1。

8、取BaO 48mol，TiO₂ 28mol、Nd₂O₃ 3mol、Bi₂O₃ 6mol，镝醇盐(Dy)15％，加工同实施例1。

9、取BaO 35mol，TiO₂ 30mol、Nd₂O₃ 16mol、Bi₂O₃ 4mol，镧醇盐(La)15％，加工同实施例1。

10、取BaO 36mol，TiO₂ 45mol、Nd₂O₃ 3mol、Bi₂O₃ 4mol，镧醇盐(La)6％，镝醇盐(Dy)6％，加工同实施例1。

11、取BaO 40mol，TiO₂ 30mol、Nd₂O₃ 10mol、Bi₂O₃ 9mol，镧醇盐(La)2％，镝醇盐(Dy)9％，加工同实施例1。

12、取BaO 30mol，TiO₂ 35mol、Nd₂O₃ 15mol、Bi₂O₃ 7mol，镧醇盐(La)9％，镝醇盐(Dy)4％，加工同实施例1。