一種Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子陶瓷及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微波介質(zhì)陶瓷是近三十多年發(fā)展起來的一種新型的功能陶瓷材料。它是指應(yīng)用于微波頻段(主要是300MHz?300GHz頻段)電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷材料。這種材料是近幾十年來隨著移動(dòng)通信事業(yè)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的新型功能陶瓷材料，主要用于制作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件，可用于移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)等方面。其突出特點(diǎn)是介電常數(shù)高、損耗低、諧振頻率溫度系數(shù)小，并被用來制成介質(zhì)諧振器、介質(zhì)天線、雙工器、介質(zhì)導(dǎo)波回路、介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器等微波元件。
[0003]微波介質(zhì)陶瓷隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，通信信息量的迅猛增加，以及人們對(duì)無線通信的要求，使用衛(wèi)星通訊和衛(wèi)星直播電視等微波通信系統(tǒng)己成為當(dāng)前通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。這就使得微波材料在民用方而的需求逐漸增多，如手機(jī)、汽車電話、蜂窩無繩電話等移動(dòng)通信和衛(wèi)星直播電視等新的應(yīng)用裝置。以手機(jī)為例，2004年中國的手機(jī)年銷售量為6400萬部，而且中國手機(jī)市場將以每年20 %的速度增長，在兩三年內(nèi)銷售量將達(dá)到1億部。由此可見，微波介質(zhì)陶瓷在商業(yè)應(yīng)用上有極大的發(fā)展空間和市場。
[0004]微波介質(zhì)諧振器與金屬空腔諧振器相比，具有以下一些優(yōu)點(diǎn):
[0005]1)小型化(高介電常數(shù)ε r)
[0006]眾所周知，微波設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化、高穩(wěn)定及廉價(jià)的方式是微波電路的集成化。在微波電路集成化的進(jìn)程中，金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了平面微帶集成化，微波管實(shí)現(xiàn)了小型化。但是，微波電路中各種金屬諧振腔由于體積和重量太大，難以和微帶電路相集成，解決這一困難的出路在于使用微波介質(zhì)陶瓷材料制作諧振器。已經(jīng)知道，諧振器的尺寸和電介質(zhì)材料的介電常數(shù)的平方根成反比。所以電介質(zhì)材料的介電常數(shù)越大，所需要的電介質(zhì)陶瓷塊體就越小，諧振器的尺寸也就越小。因此，微波介質(zhì)陶瓷材料的高介電常數(shù)有利于微波介質(zhì)濾波器的小型化，可使濾波器同微波管、微帶線一道實(shí)現(xiàn)微波電路混合集成化，使器件尺寸達(dá)到毫米量級(jí)，其價(jià)格也比金屬諧振腔低廉得多，一般要求ε >10。
[0007]2)高穩(wěn)定性(接近于零的頻率溫度系數(shù)TCF)
[0008]通信器件的工作環(huán)境溫度不可能一成不變。如果微波介質(zhì)材料的諧振頻率隨溫度變化較大，濾波器的載波信號(hào)在不同的溫度下就會(huì)漂移，從而影響設(shè)備的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度變化太大。溫度的實(shí)際要求范圍大致是一 40°C -+100°C，在這個(gè)范圍內(nèi)，材料的頻率溫度系數(shù)TCF不大于30ppm/°C。目前，己實(shí)用化的微波介質(zhì)陶瓷材料的頻率溫度系數(shù)可達(dá)0ppm/°C，從而可以實(shí)現(xiàn)器件的高穩(wěn)定性和高可靠性。
[0009]3)低損耗(高品質(zhì)因子Qf)
[0010]濾波器的一個(gè)重要要求是插入損耗低，微波介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗是影響介質(zhì)濾波器插入損耗的一個(gè)主要因素。微波介質(zhì)材料Qf值與介質(zhì)損耗tand成反比關(guān)系。Qf值越大，濾波器的插入損耗就越低。在測試過程中，目前微波介質(zhì)陶瓷已在便攜式移動(dòng)電話、汽車電話、無繩電話、電視衛(wèi)星接收器、軍事雷達(dá)等方面被用來廣泛制造微波介質(zhì)濾波器和諧振器，在現(xiàn)代通信工具的小型化、集成化過程中正發(fā)揮著越來越大的作用。
[0011]綜上所述，隨著微波介質(zhì)陶瓷廣泛應(yīng)用于介質(zhì)諧振器、濾波器、介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)基板以及介質(zhì)超材料等領(lǐng)域，因此，尋找、制備與研究高介電常數(shù)、低損耗(Qf>5000GHz)、近零諧振頻率溫度系數(shù)(TCF = 0ppm/°C )、低成本、環(huán)保的新型微波介質(zhì)陶瓷成為了人們當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法，該陶瓷材料相對(duì)介電常數(shù)較高，微波性能良好，諧振頻率溫度系數(shù)可調(diào)，物相組成及制備方法簡單。
[0013]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0014]本發(fā)明公開了一種Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，該微波介質(zhì)陶瓷的化學(xué)組成為:0.9(l-x) SrO-0.l(l-x)Ca0-x/4Li20-x/2Ce02-Ti02，其中 0.70 彡 x 彡 0.80。
[0015]所述的微波介質(zhì)陶瓷中，以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，Sr、Ca、L1、Ce占據(jù)A位，Ti占據(jù)B位。
[0016]所述微波介質(zhì)陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)為140?158，微波性能Qf = 1，350GHz?1，640GHz，諧振頻率溫度系數(shù)為-80ppm/°C?+80ppm/°C。
[0017]本發(fā)明還公開了一種Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0018]1)按 0.9(l-x)Sr0-0.1 (l_x) Ca0-x/4Li20_x/2Ce02-Ti02式中的摩爾比，取鍶、鈣和鋰的碳酸鹽以及鈰和鈦的氧化物，混合后經(jīng)一次球磨，然后烘干、過篩并壓制成塊狀體，在1150°C下保溫4.5h，得到樣品燒塊;其中，0.70彡X彡0.80 ;
[0019]2)將樣品燒塊粉碎后經(jīng)二次球磨，再經(jīng)烘干、造粒、過篩，然后將過篩后的顆粒壓制成型，在1350°C下燒結(jié)2h成瓷，得到Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷。
[0020]所述的鍶、鈣和鋰的碳酸鹽分別為SrC03、CaC03& Li 20)3;鈰和鈦的氧化物分別為CeOjP Ti02o
[0021 ] 在進(jìn)行一次球磨和二次球磨時(shí)，每次球磨的時(shí)間為4h?5h，烘干的溫度為100。。?120。。。
[0022]所述的過篩，步驟1)為過120目的篩網(wǎng)，步驟2)為雙層過篩:過60目與120目的篩網(wǎng)。
[0023]所述的造粒是將粉體與聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米級(jí)的球形顆粒。
[0024]所述的步驟2)的燒結(jié)是在空氣氛圍下的燒結(jié)。
[0025]所述的步驟2)的壓制成型是壓制成塊狀或圓柱狀。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0027]本發(fā)明公開的Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，以富含Ti元素的鈣鈦礦相為主元，在1350°C下進(jìn)行燒結(jié)。本發(fā)明根據(jù)晶體化學(xué)原理和電介質(zhì)有關(guān)理論，以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其中Sr、Ca、L1、Ce占據(jù)A位，Ti占據(jù)B位，通過調(diào)節(jié)離子組分比例，以達(dá)到提高離子極化率及調(diào)控頻率溫度系數(shù)的目的。通過適當(dāng)?shù)奶沾晒に?，可以在空氣氛圍中燒結(jié)出致密的且具備優(yōu)良微波介電性能的新型功能陶瓷，這類陶瓷可以作為射頻多層陶瓷電容器、片式微波介質(zhì)諧振器或?yàn)V波器、陶瓷天線、多芯片組件(MCM)等介質(zhì)材料使用。
[0028]進(jìn)一步地，所述微波介質(zhì)陶瓷中，以I丐鈦礦結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其中Sr、Ca、L1、Ce占據(jù)A位，Ti占據(jù)B位，通過調(diào)節(jié)離子組分比例，以達(dá)到提高離子極化率及調(diào)控頻率溫度系數(shù)的目的。通過適當(dāng)?shù)奶沾晒に?，在一定燒結(jié)溫度范圍內(nèi)可以形成純相的致密陶瓷。
[0029]本發(fā)明的Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料具有以下特點(diǎn):相對(duì)介電常數(shù)可調(diào)(140?158)，微波性能良好(Qf = 1，350GHz?1，640GHz)，諧振頻率溫度系數(shù)近零且易調(diào)控(_80ppm/°C?+80ppm/°C )，物相組成及制備工藝簡單。
[0030]本發(fā)明采用了最簡單有效的固相反應(yīng)燒結(jié)的方法來制備，首先是選取合適比例的配方，選取合適的初始氧化物，通過一次球磨使得各種氧化物混合均勻，通過預(yù)燒結(jié)過程使得氧化物進(jìn)行初步的反應(yīng)，通過二次球磨細(xì)化反應(yīng)物的顆粒尺寸，最后通過燒結(jié)過程得到所需要的陶瓷樣品。通過這樣一種簡單易行的有效的制備方法，得到的陶瓷樣品的介電常數(shù)隨成分在140?158之間變化，Qf分布在1，350GHz?1，640GHz，諧振頻率溫度系數(shù)近零且易調(diào)控(_80ppm/°C?+80ppm/°C )，燒結(jié)溫度 1350°C。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0032]本發(fā)明公開的Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料的配方表達(dá)式為:0.9(l-x)SrO-0.1 (l-x)Ca0-x/4Li20-x/2Ce02-Ti02，其中 0.70 彡 x 彡 0.80。
[0033]制備上述Ti基高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料具體方法是:
[0034]將化學(xué)原料SrC03、CaC03、Li2C03、CeOjP T1 2 按配方通式 0.9 (l-χ) SrO-0.1 (l-χ)Ca0-x/4Li20-x/2Ce02-Ti02 (其中0.70彡x彡0.80)充分混合球磨4?5個(gè)小時(shí)，磨細(xì)后烘干、過篩、壓塊，然后經(jīng)1150°C預(yù)燒，并保溫4.5小時(shí)；
[0035]將預(yù)燒后的塊體進(jìn)行二次球磨，磨細(xì)烘干后造粒，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)雙層過篩；
[0036]將瓷料按需要壓制成型