專利名稱：高介電常數微波介質陶瓷材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通訊系統(tǒng)中的介質諧振器、濾波器等微波元器件用的高介電常數微波介質陶瓷材料。
背景技術：
微波介質陶瓷材料由于能用于制作微波通訊系統(tǒng)中的諧振器、濾波器和其它關鍵器件，所以在商業(yè)上和軍事上得到廣泛的應用。這些應用對微波介質陶瓷材料的要求是(1)高的介電常數(εr)，以減小器件的尺寸；(2)低損耗(即高的品質因數或Q*f(GHz)值)，以獲得在微波頻率下更好的選頻性；(3)趨予零的諧振頻率溫度系數(TCf)，用以保證器件在溫度波動時具有很好的穩(wěn)定性。這些要求極大地限制了大部分陶瓷材料應用于實際器件。此外，下一代通訊系統(tǒng)要求元器件更加小型化、性能更高且成本更低，因此有必要開發(fā)新的材料或提高已有材料的性能以適應新的需求。
在無線通訊器件的應用上，組分為CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2的一系列陶瓷材料已經由Takahashi等人在美國申請專利，分別為US Patent No.5188993，Feb.23，1993.和US Patent No.5320991，June 14，1994.；同時文獻H.Takahashi，Y.Baba，K.Ezaki，Y.Okamoto，K.Shibata，K.Kuroki and S.Nakano；Dielectric characteristics of(A1+1/2A3+1/2)TiO3ceramics atmicrowave frequencies；Jpn.J.Appl.Phys.，30，9B，2339-2342，(1991).和文獻K.Ezaki，Y.Baba，H.Takahashi，K.Shibata and S.Nakano；Microwavedielectric properties of CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2ceramics.Jpn.J.Appl.Phys.，32，9B，4319-4322，(1993).中也有相關報道。這些文獻所提到的微波介質陶瓷材料都具有相當高的介電常數，但是很難獲得Qf＞3000GHz的材料。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種高介電常數微波介質陶瓷材料，目的是在保持高的介電常數的同時提高材料的品質因數，同時在一定范圍內具有希望得到的任何諧振頻率溫度系數；本發(fā)明的另一目的是降低燒結溫度。
本發(fā)明所提供的微波介質陶瓷材料，以uCaO-vLn2O3-wLi2O-xTiO2系微波介質陶瓷材料為主料，各組分的含量分別是10.0mol.％≤u≤20.0mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，5.0mol.％≤w≤15.0mol.％，55.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％，Ln＝Sm3+；其特征是在所述主料中摻入0.5～10wt.％的Li1/2Bi1/2TiO3；X射線衍射分析結果，所有組分都形成單一的鈣鈦礦相。
所述的高介電常數微波介質陶瓷材料，所述主料各組分參數u、v、w、x的優(yōu)選值為15.0mol.％≤u≤17.5mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，7.5mol.％≤w≤10.0mol.％，60.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％；Li1/2Bi1/2TiO3的摻入量可以為2.5～5wt.％；材料的燒結溫度低于1350℃。
本發(fā)明的高介電常數微波介質陶瓷材料可按下述方法制備而成(1)主成分材料采用按所述u、v、w、x的摩爾比稱量原料u CaCO3，v Sm2O3，w Li2CO3和x TiO2為起始原料，混合后用酒精和鋯球在行星球磨機中球磨3～6小時；(2)混合物在75～120℃下干燥5～12小時；(3)在1050～1150℃下預燒2～4個小時；簡稱為CLST；
(4)在上述步驟進行的同時或分時，16.667mol％的Li2CO3，16.667mol％的Bi2O3和66.667mol％的TiO2作為副組分的起始原料，簡稱為LBT；混合后用酒精和鋯球在行星球磨機中球磨3～6小時；(5)混合物在75～120℃下干燥5～12小時；(6)在800～900℃下預燒2～4個小時。
(7)然后，0.5～10wt.％步驟(6)預燒后的LBT添加到步驟(3)預燒后的CLST中，混合物用酒精和鋯球在行星球磨機中球磨3～6小時；(8)干燥后在1～20MPa的壓力下加壓成型；(9)采用溫度在1200～1400℃的范圍內的一系列燒結工藝，燒結2～4個小時。
為了測量樣品的介電性能，首先將直徑11～13mm、高度5～7mm的圓柱狀陶瓷樣品在1200目SiC砂紙上打磨，然后將其用超聲波在酒精中清洗。采用開式腔法用微波頻率的橫向電場(TE011模)分析樣品的介電性能。通過測量介質諧振器的諧振頻率隨溫度的變化率得到樣品的諧振頻率溫度系數，測量的溫度范圍為25～85℃。
本發(fā)明的高介電常數微波介質陶瓷材料，在主料中摻入Li1/2Bi1/2TiO3，(以下簡稱為LBT)，可以提高介電常數，改進品質因數(降低介電損耗)，并且能將TCf值調到近似為0ppm/℃。由于副組分LBT的熔點低，它也可用作為燒結促進劑，通過添加LBT，在1200～1400℃之間調節(jié)燒結溫度可以得到很大范圍內的優(yōu)良的介電性能。X射線衍射分析結果，所有組分共同形成單一的鈣鈦礦相。


圖1為TCf值隨LBT添加量的變化曲線圖；圖2為TCf值隨燒結溫度變化的曲線圖。
具體實施例方式
表1為構成本發(fā)明的各成分含量的具體實施例及其相應的微波介電性能。
表1LBT添加到CLST材料的燒結溫度和介電性能


圖1所示為TCf值隨LBT添加量的變化曲線圖，樣品在1400℃下燒結而成。陶瓷材料的介電性能在頻率為2.5～3.5GHz下測得。如表1所示，介質材料的介電常數隨著LBT添加量的增加而增大，在燒結溫度為1200～1300℃下得到最大值。添加LBT后的CLST可以得到最大值為超過5000GHz的Qf值。然而，當LBT的添加量超過10wt.％時，陶瓷材料的Qf值迅速降低，難以用開式腔法測得在高頻下材料的介電性能。當u、v、w、x的比例適當時(u∶v∶w∶x＝11∶5∶8∶40)，通過改變LBT的添加量，可以獲得介電常數范圍在93～112，Qf值超過3000GHz和近似為零的TCf值。
圖2所示為TCf值隨燒結溫度的變化曲線圖，陶瓷樣品材料分別為5wt.％和10wt.％LBT添加到CLST中，CLST中各組分的比例為u∶v∶w∶x＝11∶5∶8∶40。由圖可見，TCf值隨著燒結溫度的升高而向負的方向變化，增加LBT的添加量，也有利于降低材料的燒結溫度以得到近似為零的TCf值時。最佳燒結溫度也同樣很重要，如表1中列出的那些例子所示。所有的這些優(yōu)點就使得LBT成為uCaO-vLn2O3-wLi2O-xTiO2(其中10.0mol.％≤u≤20.0mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，5.0mol.％≤w≤15.0mol.％，55.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％，Ln＝Sm3+)陶瓷的優(yōu)良的添加物。這種材料能用于制作介質諧振器和濾波器，在300MHz到30GHz工作，可以提高介質諧振器和濾波器等微波器件在微波頻段的性能。
權利要求
1.一種高介電常數微波介質陶瓷材料，以uCaO-vLn2O3-wLi2O-xTiO2系微波介質陶瓷材料為主料，各組分的含量分別是10.0mol.％≤u≤20.0mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，5.0mol.％≤w≤15.0mol.％，55.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％，Ln＝Sm3+；其特征是在所述主料中摻入0.5～10wt.％的Li1/2Bi1/2TiO3；X射線衍射分析結果，所有組分都形成單一的鈣鈦礦相。
2.如權利要求1所述的高介電常數微波介質陶瓷材料，其特征在于，所述主料各組分參數u、v、w、x的優(yōu)選值為15.0mol.％≤u≤17.5mol.％，10.0mol.％≤v≤15.0mol.％，7.5mol.％≤w≤10.0mol.％，60.0mol.％≤x≤65.0mol.％，u+v+w+x＝100mol.％，Li1/2Bi1/2TiO3的摻入量為2.5～5wt.％；材料的燒結溫度低于1350℃。
全文摘要
高介電常數微波介質陶瓷材料，涉及通訊系統(tǒng)中的介質諧振器、濾波器等微波元器件用的高介電常數微波介質陶瓷材料，目的是保持高介電常數的同時提高材料品質因數，同時在一定范圍內具有希望得到的任何諧振頻率溫度系數；本發(fā)明以uCaO－vLn
文檔編號C04B35/46GK1673179SQ200510018239
公開日2005年9月28日 申請日期2005年2月2日 優(yōu)先權日2005年2月2日
發(fā)明者艾瑞克·P·K, 呂文中, 汪小紅 申請人:華中科技大學