YAM低介微波介质陶瓷及其制备方法

摘要

本发明公开了一种YAM低介微波介质陶瓷及其制备方法，YAM低介微波介质陶瓷，包括基料和烧结助剂；所述基料的化学式结构为Y

说明书

技术领域

本发明涉及电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及一种具有低介电 常数以Y₄Al₂O₉为主晶相的微波介质陶瓷材料及其制备方法，适合用作介质基板 材料，还可以制作成现代通信技术中的介质谐振器、介质滤波器等微波通信元 器件。

背景技术

铝酸盐微波介质陶瓷材料，是一类具有较高烧结温度(＞1550℃)和良好热 稳定性的低介陶瓷材料，容易获得单一、稳定的相成分，是高温微波介质基板 的理想材料。

在Y₂O₃-Al₂O₃系相图中，存在着Y₃Al₅O₁₂(YAG)、YAlO₃(YAP)和 Y₄Al₂O₉(YAM)三种稳定晶相。具有石榴石结构的YAG单晶材料的介电常数为 10.6，具有非常高的品质因数Q×f值达1050000GHz。2009年，Kagomiya(I. Kagomiya,Y.Matsuda,K.Kakimoto,etal.,MicrowavedielectricpropertiesofYAG ceramics,Ferroelectrics387(1)(2009)1–6)通过固相反应法制备了YAG陶瓷，在 1650℃烧结24h获得的样品相对密度达99.6％，具有优异的微波介电性能：介电 常数ε_r＝10.5、品质因数Q×f＝440000GHz，频率温度系数τ_f＝－50ppm/℃。2013 年，Sunny(A.Sunny,V.Viswanath,K.P.Surendran,etal.,TheeffectofGa³⁺additiononthesinterabilityandmicrowavedielectricpropertiesofRE₃Al₅O₁₂(Tb³⁺, Y³⁺,Er³⁺andYb³⁺)garnetceramics,Ceram.Int.40(3)(2014)4311–4317)在1650℃ 烧结4h制备的纯YAG陶瓷具有96％的相对密度，微波介电性能为：ε_r＝10.6、 Q×f＝65000GHz、τ_f＝－45ppm/℃，在制备方法基本一致的情况下，Q×f值比 Kagomiya的报道结果低了很多。对于YAP微波介质陶瓷，Cho(S.-Y.Cho,I.-T. Kim,andK.S.Hong.Microwavedielectricpropertiesandapplicationsofrareearth aluminates.J.Mater.Res.14(1999)114–119)在1999年报道的微波介电性能为： ε_r＝15.7、Q×f＝58000GHz、τ_f＝－59ppm/℃。

目前，同属Y₂O₃-Al₂O₃系的YAM晶相，还没有制备成介质陶瓷并进行微波 介电性能表征的报道。

发明内容

本发明的目的在于制备一种以YAM为主晶相的新型低介微波介质陶瓷材 料及其制备方法，进一步丰富高性能Y₂O₃-Al₂O₃系微波介质基板材料的种类。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种YAM低介微波介质陶瓷，包括基料和烧结助剂；所述基料的化学式结 构为Y₄Al₂O₉；所述基料的原料包括Y₂O₃和Al₂O₃；所述烧结助剂包括TEOS 和MgO；所述TEOS占所述基料总量的百分比为xwt％，其中，x＝0.8～1.0； 所述MgO占所述基料总量的百分比为ywt％，其中，y＝0.2～0.5。

更进一步的技术方案是所述的Y₂O₃的纯度≥99.99％；所述Al₂O₃的纯度 ≥99.99％。

更进一步的技术方案是所述的TEOS的纯度≥98％；所述MgO通过Mg(NO₃)₂水溶液的形式加入，所述Mg(NO₃)₂的纯度≥99.9％。

更进一步的技术方案是所述的YAM低介微波介质陶瓷的晶相组成为只含有 单一的Y₄Al₂O₉晶相。

更进一步的技术方案是所述的YAM低介微波介质陶瓷介电常数 ε_r＝11.0～12.9，品质因数Q×f＝33300～40900GHz，频率温度系数τ_f＝－31～－ 21ppm/℃。

更进一步的技术方案是提供一种YAM低介微波介质陶瓷的制备方法，所述 的制备方法包括以下步骤：

步骤1、配料

选择Al₂O₃、Y₂O₃、TEOS和Mg(NO₃)₂为原料，按照设计配方: Y₄Al₂O₉+xwt％TEOS+ywt％MgO，其中，x＝0.8～1.0，y＝0.2～0.5；称量原料；

步骤2、球磨

将步骤1备好的原料Al₂O₃、Y₂O₃、TEOS和Mg(NO₃)₂水溶液依次放入装有 氧化铝磨球的球磨罐中，然后倒入无水乙醇，在球磨装置上进行球磨，得到 浆料；

步骤3、烘干、过筛、预烧

将经过步骤2球磨的浆料在60℃至90℃条件下烘干，再过60至150目尼龙 筛，然后在700℃至1000℃条件下预烧3.5至5小时；

步骤4、成型

将经过步骤3获得的预烧料粉体先在20MPa压力下干压成型，然后在 200MPa压力下冷等静压4分钟以上，获得陶瓷坯体；

步骤5、烧结

将步骤4所得陶瓷坯体在真空气氛下的1550～1700℃烧结5h以上，再在 1300℃至1500℃条件下退火20min以上，得到YAM低介微波介质陶瓷。

更进一步的技术方案是还包括步骤6、根据Hakki-Coleman介质谐振法，用网 络分析仪测试YAM低介微波介质陶瓷的介电性能；频率温度系数由公式 计算所得，其中t₁＝25℃、t₂＝80℃，分别为上述两 个温度点对应的谐振频率。

更进一步的技术方案是所述的步骤2中原料的质量总和与氧化铝磨球、无水 乙醇三者的质量比为：1:5.7:1.6；所述原料为：Al₂O₃、Y₂O₃、TEOS和Mg(NO₃)₂水溶液。

更进一步的技术方案是步骤2中球磨是将步骤1备好的原料Al₂O₃、Y₂O₃、 TEOS和Mg(NO₃)₂水溶液依次放入装有氧化铝磨球的球磨罐中，然后倒入无水乙 醇，在行星球磨机上以220r/min的转速球磨10小时，得到浆料。

更进一步的技术方案是步骤3中烘干、过筛、预烧是将经过步骤2球磨的浆 料在80℃条件下烘干，再过100目尼龙筛，然后在800℃条件下预烧4小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过固相反应法制备的 YAM低介微波介质陶瓷材料的微波介电性能为：ε_r＝11.0～12.9， Q×f＝33300～40900GHz，τ_f＝－31～－21ppm/℃，该陶瓷材料是从Y₂O₃-Al₂O₃系陶 瓷中开发出的一种全新低介微波介质陶瓷，有应用于高性能微波介质基板材料 的希望。

附图说明

图1为本发明一个实施例YAM低介微波介质陶瓷的XRD图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互 相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除 非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非 特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。

实施例1

根据本发明的一个实施例，本实施例公开一种YAM低介微波介质陶瓷材 料，其组成包括基料和微量烧结助剂两部分。所述基料化学式结构为Y₄Al₂O₉， 具体所用到的原料为高纯Y₂O₃和Al₂O₃粉；烧结助剂包括TEOS和MgO，烧结 助剂占基料总质量的百分比为x(x＝0.8～1.0)wt％TEOS和y(y＝0.2～0.5)wt％MgO， 或者表述为：所述TEOS占所述基料总量的百分比为xwt％，其中，x＝0.8～1.0； 所述MgO占所述基料总量的百分比为ywt％，其中，y＝0.2～0.5。

其中MgO通过Mg(NO₃)₂水溶液的形式加入。烧结助剂TEOS起到促进烧 结的作用；MgO起到抑制晶粒异常长大的作用。由于烧结助剂TEOS和MgO 的添加量较少，烧结后的陶瓷体经XRD物相分析含有YAM单相，单一的相组 成有助于提高YAM微波介质的Q×f值。此YAM微波介质陶瓷在真空气氛下 1550～1700℃烧结6h，再在1400℃退火30min，所得介质陶瓷的介电常数为 ε_r＝11.0～12.9，品质因数Q×f＝43300～50900GHz，频率温度系数为τ_f＝－31～－ 21ppm/℃。本实施例YAM低介微波介质陶瓷的XRD图如图1所示。

实施例2

根据本发明的另一个实施例，本实施例公开一种YAM低介微波介质陶瓷的 制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤1、选择Al₂O₃、Y₂O₃、TEOS和Mg(NO₃)₂为原料，按照实施例1中 的设计配方称量原料：基料化学式组成为Y₄Al₂O₉；烧结助剂组成为基料总质量 的x(x＝0.8～1.0)wt％TEOS和y(y＝0.2～0.5)wt％MgO，其中MgO通过添加Mg(NO₃)₂水溶液的形式加入。所用原料，Al₂O₃和Y₂O₃的纯度≥99.99％，TEOS的纯度≥98％ 和Mg(NO₃)₂的纯度≥99.9％。

步骤2、将备好的原料Al₂O₃、Y₂O₃、TEOS和Mg(NO₃)₂水溶液依次放入 装有氧化铝磨球的球磨罐中，然后倒入酒精。在行星球磨机上以220r/min的转 速球磨10小时；其中，YAM原料粉体和烧结助剂、氧化铝磨球和无水乙醇的 质量比为：1:5.7:1.6。

步骤3、将经过球磨的浆料在80℃条件下烘干，再过100目尼龙筛，然后 在800℃条件下预烧4小时。

步骤4、将获得的预烧料粉体先在20MPa压力下干压成型，然后再在 200MPa压力下冷等静压5分钟，获得陶瓷坯体。

步骤5、成型好的陶瓷坯体在真空气氛下1550～1700℃烧结6h，再在1400℃ 退火30min，即得到高质量的YAM低介微波介质陶瓷材料。

步骤6、根据Hakki-Coleman介质谐振法，用网络分析仪(Agilent TechnologiesE5071C)测试YAM微波介质陶瓷的介电性能；频率温度系数由公 式计算所得，其中t₁＝25℃、t₂＝80℃，分别为上述 两个温度点对应的谐振频率。

本实施例YAM低介微波介质陶瓷的制备方法中原料配方以及烧结温度可在 一定范围内进行调控，下面列举一些通过本实施例制备方法和原料配方以及烧 结温度的具体实施数据，以及检测的YAM低介微波介质陶瓷的微波介电性能数 据如表1，但本领域技术人员应当明白，以下列举的实验数据是对本实施例的具 体说明，并不是对本实施例制备方法实施方式的穷举。

具体的，本实施例中YAM低介微波介质陶瓷的配方、烧结温度、YAM低介 微波介质陶瓷微波介电性能测试结果如下表：

表1

本实施例制备以YAM为主晶相的低介微波介质陶瓷材料，有应用于高性能 微波介质基板材料的希望。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指 的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的 至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个 实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时， 所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的 范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该 理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实 施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开 权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和 改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来 说，其他的用途也将是明显的。