CN100363297C - 谐振频率温度系数近零的高频介电陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
谐振频率温度系数接近零的高频介电陶瓷及其制备方法。该陶瓷以组成为Ba6SnNb4O18的六方类钙钛矿晶相为主相,采用相应的方法制备,本陶瓷烧结良好,高频介电损耗低。本陶瓷可广泛用于各种介质谐振器、滤波器等微波器件的制造,可满足移动通信、卫星通信等***的技术需要。
Description
技术领域
本发明涉及介电陶瓷材料,特别是涉及在微波频率使用的介质谐振器、介质滤波器等微波元器件,以及陶瓷电容器的介电陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
微波介电陶瓷是指应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷,在现代通讯中被广泛用作谐振器、滤波器、介质基片、介质导波回路等元器件,是现代通信技术的关键基础材料,已在便携式移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接受器、军事雷达等方面有着十分重要的应用,在现代通讯工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。
应用于微波频段的介电陶瓷,应满足如下介电特性的要求:(1)高的相对介电常数εr以利于器件的小型化,一般要求εr≥20;(2)高的品质因数Q值或介质损耗tanδ以降低噪音,一般要求Qf≥3000;(3)谐振频率的温度系数τf尽可能小以保证器件具有好的热稳定性,一般要求-10/℃≤τf≤+10ppm/℃。国际上从20世纪30年代末就有人尝试将电介质材料应用于微波技术。
根据相对介电常数εr的大小与使用频段的不同,通常将已被开发和正在开发的微波介质陶瓷分为3类。
(1)低εr和高Q值的微波介电陶瓷,主要是BaO-MgO-Ta2O5,BaO-ZnO-Ta2O5或BaO-MgO-Nb2O5,BaO-ZnO-Nb2O5***或它们之间的复合***MWDC材料。其εr=25~30,Q=(1~3)×104(在f≥10GHz下),τf≈0。主要应用于f≥8GHz的卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件。
(2)中等εr和Q值的微波介电陶瓷,主要是以BaTi4O9,Ba2Ti9O20和(Zr、Sn)TiO4等为基的MWDC材料,其εr=35~40,Q=(6~9)×103(在f=3~4GHz下),τf≤5ppm/℃。主要用于4~8GHz频率范围内的微波军用雷达及通信***中作为介质谐振器件。
(3)高εr而Q值较低的微波介电陶瓷,主要用于0.8~4GHz频率范围内民用移动通讯***,这也是微波介电陶瓷研究的重点。80年代以来,Kolar、Kato等人相继发现并研究了类钙钛矿钨青铜型BaO-Ln2O3-TiO2系列(Ln=La,Sm,Nd,Pr等,简称BLT系)、复合钙钛矿结构CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系列、铅基系列材料及Ca1-xLn2x/3TiO3系等高εr微波介电陶瓷,其中BLT体系的BaO-Nd2O3-TiO2材料介电常数达到90,铅基系列(Pb,Ca)ZrO3介电常数达到105)。
随着信息技术的加速发展,移动通信***向高频化、小型化、集成化、高可靠性方向发展。由于中等介电常数材料体系中BaTi4O9,Ba2Ti9O20很难获得纯相;(Zr、Sn)TiO4体系则烧结温度太高,因此导致生产过程中重复性与一致性较差。其他一些中等介电常数介电材料的谐振频率温度系数τf都偏大,一般通过掺入谐振频率温度系数相反的材料来调节,导致了材料的品质因数Qf值的降低。
发明内容
本发明的目的是提供一类结构稳定、易于制备,谐振频率温度系数接近零,而且介电损耗低,中等介电常数的介电陶瓷材料及其制备方法。
本发明的介电陶瓷材料由氧化物形式的Ba、Sn和Nb组成,并以组成为Ba6SnNb4O18的六方类钙钛矿晶相为主相。
本介电陶瓷材料按下述方法制备而成。
首先,将纯度为99.9%以上的BaCO3、SnO2与Nb2O5的原始粉末按所述的组成配料,湿式球磨混合12~24小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在1080~1300℃大气气氛中预烧4~8小时,然后在预烧粉末中添加粘结剂并造粒后,再压制成型,最后在1420±50℃大气气氛中烧结1小时以上,所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液,剂量为粉末总质量的1%~15%。
本介电陶瓷材料或者加有副相,加入副相的目的是为了调整烧结温度,副相为低熔点的氧化物V2O5,CuO和MnO的一种或它们的混合物,掺入量占粉末总质量的0.25%~5%;或副相为B2O3,掺入量占粉末总质量的5%~25%。
本介电陶瓷材料有主相和副相的制备方法,先将纯度为99.9%以上的BaCO3、SnO2与Nb2O5的原始粉末按所述的组成配料,湿式球磨混合12~24小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在1080~1300℃大气气氛中预烧4~8小时制成预烧主相粉末,然后将预烧主相粉末与副相组成中所含元素的纯度为99.9%以上的氧化物粉末,按设定的质量百分比湿式球磨混合12~24小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒,再压制成型,最后在1100~1420℃大气气氛中烧结1小时以上。
所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,剂量为粉末总质量的1%~15%。粘结剂或采用聚乙二醇水溶液。
附图说明
图1是实施例1的Ba6SnNb4O18的X射线衍射图谱
具体实施方式
实施例1:
以纯度为99.9%以上的BaCO3、SnO2与Nb2O5为起始原料,按Ba6SnNb4O18的化学比配料,湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在1300℃大气气氛中预烧8小时,然后在预烧粉末中添加粘结剂并造粒后,再压制成型,最后在1420±50℃大气气氛中烧结4小时,所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,剂量为粉末总质量的3%。粘结剂或采用聚乙二醇水溶液。
图1是烧结后的陶瓷试样的粉末X射线衍射图谱,用圆柱介质谐振器法对烧结后的陶瓷进行微波介电性能测试,在6GHz下介电常数为37,Q值为8000,谐振频率温度系数τf为+0.2ppm/℃。
实施例2:
以纯度为99.9%以上的BaCO3、SnO2与Nb2O5为起始原料,按Ba6SnNb4O18的化学比配料,湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在1300℃大气气氛中预烧8小时,然后在预烧粉末中添加副相粉末与粘结剂并造粒后,再压制成型,最后在1200℃大气气氛中烧结1小时;所述的副相为B2O3,掺入量占粉末总质量的15%;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,剂量为粉末总质量的3%。烧结后的陶瓷进行微波介电性能测试,在6GHz下介电常数为36,Q值为7000,谐振频率温度系数τf为+0.8ppm/℃。
实施例3:
以纯度为99.9%以上的BaCO3、SnO2与Nb2O5为起始原料,按Ba6SnNb4O18的化学比配料,湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在1300℃大气气氛中预烧8小时,然后在预烧粉末中添加副相粉末与粘结剂并造粒后,再压制成型,最后在1250℃大气气氛中烧结3小时;所述的副相为V2O5,掺入量占粉末总质量的0.25%;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,剂量为粉末总质量的3%。烧结后的陶瓷进行微波介电性能测试,在6GHz下介电常数为36.2,Q值为7800,谐振频率温度系数τf为+0.6ppm/℃。
实施例4:
以纯度为99.9%以上的BaCO3、SnO2与Nb2O5为起始原料,按Ba6SnNb4O18的化学比配料,湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在1300℃大气气氛中预烧8小时,然后在预烧粉末中添加副相粉末与粘结剂并造粒后,再压制成型,最后在1100℃大气气氛中烧结4小时;所述的副相为V2O5,CuO和MnO的混合物,其中V2O5掺入量占粉末总质量的1.5%,CuO掺入量占粉末总质量的2.5%,MnO掺入量占粉末总质量的1%;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,剂量为占粉末总质量的3%。烧结后的陶瓷进行微波介电性能测试,在6GHz下介电常数为36.6,Q值为7700,谐振频率温度系数τf为+0.7ppm/℃。
本陶瓷可广泛用于各种介质谐振器、滤波器等微波器件的制造,可满足移动通信、卫星通信等***的技术需要。
具有与Sn相似结构与化学性质的元素Zr等,与Ba相似结构与化学性质的元素Ca,Pb,Sr等,与Nb相似结构与化学性质的元素Ta等,也可以做出与本发明类似晶体结构与性能的介电陶瓷。
Claims (1)
1.一种谐振频率温度系数接近零的高频介电陶瓷,其特征是该陶瓷由氧化物形式的Ba、Sn和Nb组成,并以组成为Ba6SnNbO18的六方类钙钛矿晶相为主相,以下述制备方法得到,
首先,将纯度为99.9%以上的BaCO3、SnO2与Nb2O5的原始粉末按所述的组成配料,湿式球磨混合1 2~24小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在1080~1300℃大气气氛中预烧4~8小时,然后在预烧粉末中添加粘结剂并造粒后,再压制成型,最后在1420±50℃大气气氛中烧结1小时以上,所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,剂量为粉末总质量的1%~15%;或者,
先将纯度为99.9%以上的BaCO3、SnO2与Nb2O5的原始粉末按所述的组成配料,湿式球磨混合1 2~24小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在1080~1300℃大气气氛中预烧4~8小时制成预烧主相粉末,然后将预烧主相粉末与副相组成中所含元素的纯度为99.9%以上的氧化物粉末,按设定的质量百分比湿式球磨混合12~24小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒,再压制成型,最后在1100~1420℃大气气氛中烧结1小时以上,所述的副相为低熔点的氧化物V2O5,CuO和MnO的一种或它们的混合物,掺入量占粉末总质量的0.2 5%~5%;或副相为B2O3,掺入量占粉末总质量的5%~25%,所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,剂量为粉末总质量的1%~15%。
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