CN101538157B

CN101538157B - 低温烧结的高品质因数钽酸盐微波介电陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN101538157B
Application number: CN2009101139754A
Authority: CN
Inventors: 方亮; 胡长征; 李纯纯; 彭西洋; 吴伯麟
Original assignee: Guilin University of Technology
Current assignee: Guilin University of Technology
Priority date: 2009-04-11
Filing date: 2009-04-11
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2029-04-11
Also published as: CN101538157A

Abstract

本发明公开了一种低温烧结的高品质因数钽酸盐微波介电陶瓷及其制备方法。该陶瓷的组成为(Ba_1-xSr_x)₄LiNb_3-yTa_yO₁₂，其中0.00≤x≤0.25，2.0＜y≤3.0；其介电常数达到28～40，品质因数Qf值高达60000～110000GHz。首先将纯度为99.9％以上的BaCO₃、SrCO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅与Ta₂O₅的原始粉末按上述组成配料；湿式球磨混合12～24小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在1050～1180℃大气气氛中预烧2～8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1150～1280℃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，剂量占预烧粉末总量的2％～15％。本发明制得的陶瓷具有低损耗与良好的热稳定性。

Description

低温烧结的高品质因数钽酸盐微波介电陶瓷及其制备方法

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、滤波器等微波元器件，以及陶瓷电容器或温度补偿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≥3000GHz；(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，通常可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＝(1～2)×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ε_r＝35～40，Q＝(6～9)×10³(在f＝3～-4GHz下)，τ_f≤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ε_r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、Ca_1-xLn_2x/3TiO₃系等高ε_r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。

以上这些材料体系的烧结温度一般高于1300℃，不能直接与Ag、Cu等低熔点金属共烧形成多层陶瓷电容器。近年来，随着低温共烧陶瓷技术(LowTemperature Co-fired Ceramics，LTCC)的发展和微波多层器件发展的要求，国内外的研究人员对一些低烧体系材料进行了广泛的探索和研究，主要是采用微晶玻璃或玻璃-陶瓷复合材料体系，因低熔点玻璃相具有相对较高的介质损耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介质损耗。因此研制无玻璃相的低烧微波介质陶瓷材料是当前研究的重点。但是，对于用于低烧微波介质陶瓷的体系仍然比较有限，这在很大程度上限制了低温共烧技术及微波多层器件的发展。我们前期的专利(ZL200610018112.5)公开了一种组成为(Ba_1-xSr_x)₄LiNb_3-yTa_yO

，其中0≤x≤1，0≤y≤2的低烧铌酸盐介电陶瓷，其烧结温度低于1300℃，但是其品质因数Qf值稍低，限制了其实际应用。为了获得高Qf值的材料，我们在Ta含量更高的组成即y＞2的组成中发现了系列高品质因数的介电陶瓷。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低损耗与良好的热稳定性，同时具有高频介电常数达到28～40，Qf值高达60000～110000GHz，可在1280℃下烧结的高品质因数钽酸盐微波介电陶瓷及其制备方法。

本发明的高品质因数钽酸盐微波介电陶瓷材料的组成为(Ba_1-xSr_x)₄LiNb_3-yTa_yO₁₂，其中，0.00≤x≤0.25，2＜y≤3；其高频介电常数达到28～40，品质因数Qf值高达60000～110000GHz。

本高品质因数钽酸盐微波介电陶瓷按下述方法制备而成：

首先将纯度为99.9％以上的BaCO₃、SrCO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅与Ta₂O₅的原始粉末按(Ba_1-xSr_x)₄LiNb_3-yTa_yO₁₂组成配料，其中，0.00≤x≤0.25，2＜y≤3；湿式球磨混合12～24小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在1050～1180℃大气气氛中预烧2～8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1150～1280℃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，剂量占预烧粉末总量的2％～15％。

具体实施方式

表1示出了构成本发明的各成分含量的几个具体实例及其微波介电性能。其制备方法如上所述，用圆柱介质谐振器法进行微波介电性能的评价。

本陶瓷可广泛用于各种介质谐振起器、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。

与Ba、Sr相似结构与化学性质的元素如Ca，Pb等，也可以做出与本发明类似晶体结构与性能的介电陶瓷。

[表1]

x	y	组成	烧结温度(℃)	ε_r	Qf(GHz)	τ_f(ppm/℃)
							0	3	Ba₄LiTa₃O₁₂	1280	30	110000	20
0.05	2.5	Ba_3.8Sr_0.2LiNb_0.5Ta_2.5O₁₂	1240	34	83000	28
							0.1	2.1	Ba_3.6Sr_0.4LiNb_0.9Ta_2.1O₁₂	1150	40	64000	13
0.25	2.2	Ba₃SrLiNb_0.8Ta_2.2O₁₂	1250	28	61000	6

Claims

1.一种低温烧结的高品质因数钽酸盐微波介电陶瓷的制备方法，其特征在于具体步骤为：首先将纯度为99.9％以上的BaCO₃、SrCO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅与Ta₂O₅的原始粉末按(Ba_1-xSr_x)₄LiNb_3-yTa_yO₁₂组成配料，其中，0.00＜x≤0.25，2＜y≤3；湿式球磨混合12～24小时，溶剂为蒸馏水，烘干后在1050～1180℃大气气氛中预烧2～8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1150～1280℃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，剂量占预烧粉末总量的2％～15％。