一种用于介电可调微波器件的复合陶瓷材料

摘要

本发明公开了一种可用于可调微波器件的复合陶瓷材料。本发明所述的用于介电可调微波器件的复合陶瓷材料由以下组分组成：BaZr

说明书

技术领域

本发明属于电子材料与器件技术领域，具体涉及一种具有介电可调特性且可用于可调微波器件的复合陶瓷材料。

背景技术

微波介质材料是一种极有应用价值和发展潜力的新型材料，受到国内外材料界越来越多的关注，其中，寻找介电非线性即压控可调的新型微波介质陶瓷材料是一个重要的发展方向。钛酸钡基铁电材料具有介电常数随外加电场而变化的非线性特性，这种可调特性可应用在微波电路里，通过外加电场改变电路的等效介电常数，进而控制电磁波的波速和波长，以达到相位移的改变。应用铁电材料可调性设计的微波电路通称为可调铁电微波器件，包括移相器、可调带通和带阻滤波器、压控谐振器等。利用铁电陶瓷材料的电学非线性也是实现无源可调谐微波器件的重要技术途径，开发应用于微波可调器件的钛酸钡基陶瓷材料也具有重要的科学价值和社会经济效益。

对于钛酸钡基材料体系，采用Zr⁴⁺进行B位取代，即锆钛酸钡(BZT)，由于Zr⁴⁺比Ti⁴⁺化学稳定性更好，具有更大的离子半径，替代之后能够使其钙钛矿结构的晶格变大。Zr⁴⁺取代Ti⁴⁺之后将会抑制Ti⁴⁺与Ti³⁺的电子跃迁，因此，可以提高钛酸钡基陶瓷材料的耐压特性，降低材料的漏导损耗。

但是，BZT钙钛矿结构陶瓷材料的介电常数与介电可调性之间相互制约，因此如何研制出既具有适中介电常数，又具有高介电可调性的材料是一个技术难点。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的上述缺陷，提供一种具有介电可调特性且可用于可调微波器件的复合陶瓷材料。

本发明通过选用微波性能优异的介质材料钛酸镁(Mg₂TiO₄)与锆钛酸钡的复合，旨在降低BZT陶瓷材料的介电常数并改善其相关介电性能(介电损耗和可调性等)，从而得到介电常数系列化(分布在100～2000之间)且具有压控可调特性的复合陶瓷材料。目前有关锆钛酸钡与钛酸镁复合陶瓷材料的研究尚未见报道。

本发明所采取的具体技术方案如下：

一种用于介电可调微波器件的复合陶瓷材料，其由以下组分组成：

BaZr_xTi_(1-x)O₃(x＝0.25～0.40)    40.0wt％～95.0wt％

Mg₂TiO₄                           5.0wt％～60wt％。

上述用于介电可调微波器件的复合陶瓷材料的制备方法包括如下步骤：

(1)按照下列组分配比称取混合料，加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水，球磨10～24小时，出料烘干后过筛得到复合粉料：

BaZr_xTi_(1-x)O₃(x＝0.25～0.40)    40.0wt％～95.0wt％

Mg₂TiO₄                           5.0wt％～60wt％；

(2)采用8～10％的聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂对上述复合粉料进行造粒，在10～100MPa压力下压制成所需尺寸大小的陶瓷生坯片；

(3)陶瓷生坯片经过550℃～600℃的排粘处理后，将得到的陶瓷进行1350℃～1500℃烧结处理，即可得到所述复合陶瓷材料。

步骤(1)中所用的BaZr_xTi_(1-x)O₃(x＝0.25～0.40)可按照现有技术制备。其制备方法如下：按照需要的摩尔配比，称取BaCO₃、ZrO₂和TiO₂混合料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水，球磨10～24小时，出料烘干后在1100℃～1300℃预烧2～6小时，研磨后得到BaZr_xTi_(1-x)O₃(x＝0.25～0.40)粉体。步骤(1)中的混合料球磨时，氧化锆球与球磨料(BaZr_xTi_(1-x)O₃和Mg₂TiO₄)的质量比优选为1.2～1.5∶1；无水乙醇或去离子水与球磨料的质量比优选为1.5～3.0∶1。

步骤(3)中的烧结时间优选为2～4小时。

本发明的有益效果：

本发明是采用传统的电子陶瓷制备工艺，通过BaZr_xTi_(1-x)O₃(x＝0.25～0.40)与Mg₂TiO₄的两相复合，研制得到一种具有介电可调特性且可用于可调微波器件的复合陶瓷材料，其具有以下主要特点：

(1)通过BaZr_xTi_(1-x)O₃(x＝0.25～0.40)与Mg₂TiO₄两相复合组分含量的变化和Zr/Ti比的调整，复合陶瓷材料的介电常数可在100～2000之间连续可调，满足材料的介电常数系列化，且介电损耗可以控制在0.001附近，拓宽了材料的应用范围。

(2)在外加直流电场作用下，所述复合陶瓷材料具有介电非线性，介电常数随外加直流电场可调。随BaZr_xTi_(1-x)O₃(x＝0.25～0.40)与Mg₂TiO₄两相复合组分含量不同，其可调性可以从15％～40％(25kV/cm)之间发生变化。

(3)采用Zr⁴⁺进行B位取代钛酸钡材料，大大提高钛酸钡基陶瓷材料的耐压特性，降低漏导损耗。

(4)采用传统的电子陶瓷制备工艺，工艺简单，成本低，材料体系环保无毒副作用，可适用于微波可调器件。

因此，本发明通过具体技术方案的实施和最后的性能测试，证实了最初设想的可行性，且试验结果数据也表明效果很好，能够实际应用。

附图说明

图1是在1400℃烧结制备的BaZr_0.35Ti_0.65O₃-Mg₂TiO₄陶瓷样品的介电常数和损耗与温度的关系曲线。测试频率10KHz。

图2是在1400℃烧结制备的BaZr_0.35Ti_0.65O₃-Mg₂TiO₄陶瓷样品的介电常数与外加直流场强的关系曲线。测试频率10KHz。

具体实施方式

实施例1～4

制备BaZr_0.35Ti_0.65O₃-Mg₂TiO₄复合陶瓷材料：

按照BaZr_0.35Ti_0.65O₃的化学计量比，称取适量的BaCO₃、ZrO₂和TiO₂粉料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水，球磨24小时，出料烘干后在1200℃预烧4小时，研磨后得到BaZr_0.35Ti_0.65O₃粉体待用。

按如下表1中复合组分配比分别称取化学试剂：

表1.BaZr_0.35Ti_0.65O₃-Mg₂TiO₄复合陶瓷材料配比

  配方  1^#  2^#  3^#  4^#  BaZr_0.35Ti_0.65O₃  1.0g  2.0g  4.0  8.0  Mg₂TiO₄  19.0g  18.0g  16.0  12.0

将上述各配方的混合料分别放入尼龙球磨罐中，各加入氧化锆球21g和无水乙醇40g，球磨24小时，出料烘干后粉体过200目筛，按照传统电子陶瓷制备工艺，采用8％的聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂进行造粒，在10MPa压力下，干法压制成直径φ＝10mm生坯片，经过550℃的排粘处理后，在空气气氛下，进行1400℃烧结，保温4小时后，得到BaZr_0.35Ti_0.65O₃-Mg₂TiO₄复合陶瓷样品。将制得的陶瓷样品两面抛光，被银、烧银后进行介电性能测试，其相关介电性能见表2。

表2.BaZr_0.35Ti_0.65O₃-Mg₂TiO₄复合陶瓷材料的相关介电性能

由以上性能测试结果可知，本发明的复合陶瓷材料介电常数可在100～2000之间连续可调，满足材料的介电常数系列化，且介电损耗可以控制在0.001附近，拓宽了材料的应用范围。本发明的复合材料具有介电非线性，介电常数随外加直流电场可调，随BaZr_xTi_(1-x)O₃(x＝0.25～0.40)与Mg₂TiO₄两相复合组分含量不同，其可调性可以从15％～40％(25kV/cm)之间发生变化。