CN101723653A - 一种微波调谐复合陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种的微波调谐复合陶瓷材料及其制备方法。材料由BaZr_xTi_1-xO₃和混合物构成，BaZr_xTi_1-xO₃为30-95wt％，x＝0.1-0.50，混合物由Mg₂SiO₄和MgO构成，Mg₂SiO₄在混合物中为1-99wt％。本发明按化学计量比分别配制BaZr_xTi_1-xO₃和Mg₂SiO₄，经球磨、出料、烘干、预烧，分别得到BaZr_xTi_1-xO₃和Mg₂SiO₄粉体：然后根据组成设计，在BZT粉体中掺入Mg₂SiO₄和MgO，再经球磨、烘干，造粒、成型，排胶，然后在1200℃-1400℃的炉温内烧结2h-4h，即得到所需材料。该材料介电常数适中，介电损耗低，调谐率高，兼具高性能与低烧结温度的特点，可用于移相器，可调滤波器，延迟线，振荡器，共振器及相控阵天线等微波器件中。

Description

一种微波调谐复合陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于微波陶瓷材料技术，具体涉及一种BaZr_xTi_1-xO₃-MgO-Mg₂SiO₄微波调谐复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

可调滤波器，延迟线，移相器，振荡器，共振器及相控阵天线等微波器件是微波通信领域的重要器件，但太高的成本限制了其广泛的商业应用。低成本调谐技术将引起微波元件及天线工业的革命。

微波调谐材料的介电常数可随外加电压改变。应用于微波通讯领域，可通过外加电压改变元件的工作频率，如可让一个滤波器产生频率跳跃，这对未来的宽带通讯非常重要，因为这样可实现几个用户在一个共同频率范围传输和接受信号。新型微波调谐材料可大大降低相控阵天线的成本，将使相控阵天线的应用由目前的军用扩展至民用。相控阵天线的速度，精度及可靠性均比相应的机械操纵天线高。

微波调谐材料可用于制造移相器。目前的移相器主要是铁氧体移相器和半导体二极管移相器。但在高频下，PIN二极管存在损耗大，功率低，需要逻辑电路控制相位移动，不能连续调谐等缺点；铁氧体在3GHz以上损耗低，功率大，但其调谐电路的价格昂贵，且体积大，笨重，功耗大，仅用于军事领域，另外，铁氧体在1-2GHz时的损耗比在10GHz时大，不适用于蜂窝电话及个人通讯服务。铁氧体移相器很难制成平面结构。

电场控制的微波调谐材料主要是钙钛矿结构的铁电材料，以钛酸锶钡(Ba，Sr)TiO₃及其复合物研究最多。锆钛酸钡BaZr_xTi_1-xO₃(BZT)具有高调谐率，同时，Zr⁴⁺比Ti⁴⁺在化学上更加稳定，而且BaZr_xTi_1-xO₃在顺电相的温度稳定性优于(Ba，Sr)TiO₃。锆钛酸钡的介电常数太高，微波介电损耗高，需要对材料进行改进。另外，太大的介电常数会导致太大的***损耗，与电路匹配困难。因此，如何获得具有适中的介电常数，较高调谐率的锆钛酸钡是一个技术难点。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的不足，提供一种微波调谐复合陶瓷材料，该该材料介电常数适中，介电损耗低，调谐率高，尤其适用于微波调谐元件；本发明还提供了该材料的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明提供的微波调谐复合陶瓷材料，由BaZr_xTi_1-xO₃和混合物构成，其中，BaZr_xTi_1-xO₃的质量百分比为30-95％，x＝0.1-0.50，所述混合物由Mg₂SiO₄和MgO构成，其中，Mg₂SiO₄在混合物中的质量百分比含量为1-99％。

上述的微波调谐复合陶瓷材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)配制BaZr_xTi_1-xO₃和Mg₂SiO₄粉体

以粉末状的BaCO₃、ZrO2和TiO₂按比例混合作为一组原料，以粉末状的SiO₂和MgO按比例混合作为另一组原料，将二组原料分别湿法球磨6-24小时，然后出料、烘干，再在1000℃-1300℃范围内预烧2-6小时，分别得到BaZr_xTi_1-xO₃和Mg₂SiO₄粉体；

(2)按照配比在BaZr_xTi_1-xO₃粉体中掺入粉未状的Mg₂SiO₄和MgO，湿法球磨6-24小时后烘干；

(3)在烘干后的材料中加入3-8wt％的聚乙烯醇(PVA)造粒，再压制成型生坯；

(4)将生坯加热升温到400-800℃，升温速度小于等于30℃/分钟，然后保温2-4小时，排除生坯中的有机物质；

(5)在1200℃-1400℃范围内烧结，再保温2-4小时，得到微波调谐复合陶瓷材料。

本发明的优点在于按本发明的材料配方，可以在1200℃-1400℃范围内烧结，且该材料具有介电常数适中，介电损耗低，调谐率高，等优异性能，取得了高性能与低烧结温度同时兼备的结果。通过调节组分中的Mg₂SiO₄和MgO掺杂量，Mg₂SiO₄和MgO含量比以及Zr/Ti比，可以改变材料的居里温度，调整和设计复合陶瓷材料的相关介电性能，尤其是介电常数、介电损耗和调谐率等，拓宽了材料的应用范围。该复合陶瓷材料成分以BaZr_xTi_1-xO₃，Mg₂SiO₄和MgO三相复合物存在，没有杂质相存在。采用传统的电子陶瓷制备工艺，工艺简单，成本低，材料体系环保无毒副作用。本发明的材料可广泛用于可变电容器，可调滤波器，移相器，可调延迟线，电压控制的振荡器，可调介电共振器，可调阻抗匹配器件等可调微波器件。其中移相器是相控阵天线的重要器件，直接决定相控阵天线的成本和性能。该材料可以取代相控阵天线中应用的昂贵的铁氧体，使相控阵天线体积变小，重量变轻，价格变便宜。

附图说明

图1是BaZr_xTi_1-xO₃-MgO-Mg₂SiO₄复合陶瓷的XRD谱。

图2是BaZr_xTi_1-xO₃-MgO-Mg₂SiO₄复合陶瓷的介电常数和损耗与温度的关系曲线。

图3是BaZr_xTi_1-xO₃-MgO-Mg₂SiO₄复合陶瓷的调谐率与外加直流场强的关系曲线。

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实例1-5：

以粉末状的BaCO₃、ZrO₂、TiO₂、SiO₂和MgO为原料，按化学计量比分别配制BaZr_xTi_1-xO₃(x＝0.2)和Mg₂SiO₄，在原料中加入无水乙醇或去离子水，以玛瑙球或二氧化锆为球磨介质，湿法球磨6h后，出料、烘干，粉料在1100℃下预烧2h，分别得到BaZr_xTi_1-xO₃(x＝0.2)和Mg₂SiO₄粉体。按表1的配方，将BaZr_xTi_1-xO₃(x＝0.2)，Mg₂SiO₄和MgO混合，湿法球磨6h，出料、烘干，采用5wt％的聚乙烯醇作为粘合剂造粒，在150MPa的压强下将粉体压制成型；经600℃排胶处理后，在空气气氛中于1320℃烧结3h，得到BaZr_0.2Ti_0.8O₃-MgO-Mg₂SiO₄复合陶瓷。烧成后的样品经细磨加工，超声清洗后，再上银电极，可用于介电性能测试。

表1

	BaZr0.2Ti0.8O3(Wt％)	Mg2SiO4(Wt％)	MgO(Wt％)
				实施例1	40	48	12
实施例2	40	36	24
				实施例3	40	30	30
实施例4	40	24	36
				实施例5	40	12	48

BaZr_xTi_1-xO₃-MgO-Mg₂SiO₄复合陶瓷在1MHz下的介电常数和介电损耗见表2

表2

	介电常数(1MHz)	介电损耗
			实施例1	125.36	0.00121
实施例2	144.54	0.000986
			实施例3	129.03	0.0011
实施例4	141.48	0.00102
			实施例5	183.19	0.00162

实施例1-5配方所得的BaZr_xTi_1-xO₃-MgO-Mg₂SiO₄复合陶瓷的XRD谱。复合陶瓷材料由BaZr_xTi_1-xO₃(x＝0.2)，MgO和Mg₂SiO₄三相组成。实施例1，3，5配方所得的BaZr_xTi_1-xO₃-MgO-Mg₂SiO₄复合陶瓷的介电常数和介电损耗与温度的关系曲线如图2所示。实施例1-5配方所得的BaZr_xTi_1-xO₃-MgO-Mg₂SiO₄复合陶瓷在不同直流电场强度下的调谐率如图3所示。降低MgO含量，BaZr_xTi_1-xO₃-MgO-Mg₂SiO₄复合陶瓷的介电常数降低，但Mg₂SiO₄含量超过30wt％后调谐率反而有所增加。这提供了一个降低材料的介电常数，而提高材料的调谐率的方法。在现有技术中，陶瓷材料介电常数的降低往往伴随调谐率的降低。通过调整Zr/Ti比，MgO-Mg₂SiO₄含量及MgO/Mg₂SiO₄比，可以获得不同介电常数和调谐率的系列材料。

实例6：x＝0.1，BaZr_xTi_1-xO₃的质量百分比为30％，Mg₂SiO₄在混合物中的质量百分比含量为1％；

实例7：x＝0.3，BaZr_xTi_1-xO₃的质量百分比为50％，Mg₂SiO₄在混合物中的质量百分比含量为30％；

实例8：x＝0.5，BaZr_xTi_1-xO₃的质量百分比为95％，Mg₂SiO₄在混合物中的质量百分比含量为99％；

以上述实例6-8所述的材料及化学配比，按照下述过程制备微波调谐复合陶瓷材料，所得到的材料均能够达到本发明所述的技术效果。

(1)按化学计量比分别配制BaZr_xTi_1-xO₃和Mg₂SiO₄，

原料采用粉末状的BaCO₃、ZrO2、TiO₂、SiO₂和MgO，然后加入无水乙醇或去离子水，以玛瑙球或二氧化锆为球磨介质，球磨6h-24h后，出料、烘干，粉料在1000℃-1300℃范围内预烧2h-6h，分别得到BaZr_xTi_1-xO₃和Mg₂SiO₄粉体；

(2)根据组成配比，在BaZr_xTi_1-xO₃粉体中掺入Mg₂SiO₄和MgO，以然后加入无水乙醇或去离子水，以玛瑙球或二氧化锆为球磨介质，球磨6h-24h；

(3)在烘干后的混合物中加入3-8wt％的聚乙烯醇造粒并压制成型生坯；

(4)升温到800℃温度以下，保温2-4个小时，以排除生坯中的有机物质，排胶过程的升温速度不高于30℃/min；

(5)生坯在1200℃-1400℃范围内烧结，保温2h-4h，得到所需的性能优异的块材。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围。

Claims (2)

1.一种微波调谐复合陶瓷材料，其特征在于，它由BaZr_xTi_1-xO₃和混合物构成，其中，BaZr_xTi_1-xO₃的质量百分比为30-95％，x＝0.1-0.50，所述混合物由Mg₂SiO₄和MgO构成，其中，Mg₂SiO₄在混合物中的质量百分比含量为1-99％。

2.一种权利要求1所述的微波调谐复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括下述步骤：

(1)配制BaZr_xTi_1-xO₃和Mg₂SiO₄粉体：

以粉末状的BaCO₃、ZrO2和TiO₂按比例混合作为一组原料，以粉末状的SiO₂和MgO按比例混合作为另一组原料，将二组原料分别湿法球磨6-24小时，然后出料、烘干，再在1000℃-1300℃范围内预烧2-6小时，分别得到BaZr_xTi_1-xO₃和Mg₂SiO₄粉体；

(2)按照配比在BaZr_xTi_1-xO₃粉体中掺入粉未状的Mg₂SiO₄和MgO，湿法球磨6-24小时后烘干；

(3)在烘干后的材料中加入3-8wt％的聚乙烯醇造粒，再压制成型生坯；

(4)将生坯加热升温到400-800℃，升温速度小于等于30℃/分钟，然后保温2-4小时，排除生坯中的有机物质；

(5)在1200℃-1400℃范围内烧结，再保温2-4小时，得到微波调谐复合陶瓷材料。

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