CN105254300A - 一种Co基温度稳定型微波介质陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Co基温度稳定型微波介质陶瓷及其制备方法，属于电子陶瓷及其制备领域。该陶瓷的组成表述为(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5，其中0.5≤x≤0.75。本发明采用了最简单有效的固相反应烧结的方法来制备，首先是选取合适比例的配方，选取合适的初始氧化物，通过一次球磨使得各种氧化物混合均匀，通过预烧结过程使得氧化物进行初步的反应，再通过二次球磨细化反应物的颗粒尺寸，最后通过烧结过程得到所需要的陶瓷样品。通过这样一种简单易行的有效的制备方法，得到的陶瓷样品的介电常数随成分在31.3～42之间变化，Qf分布在40,900GHz～42,300GHz，谐振频率温度系数近零且易调控(-16ppm/℃～+18ppm/℃)，烧结温度1250℃～1340℃。
Description
技术领域
本发明属于电子陶瓷及其制备领域，特别涉及一种Co基温度稳定型微波介质陶瓷及其制备方法。
背景技术
微波介质陶瓷是近三十多年发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。它是指应用于微波频段(主要是300MHz～300GHz频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料。这种材料是近几十年来随着移动通信事业的迅速发展而发展起来的新型功能陶瓷材料，主要用于制作谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件，可用于移动通讯、卫星通讯和军用雷达等方面。其突出特点是介电常数高、损耗低、谐振频率温度系数小，并被用来制成介质谐振器、介质天线、双工器、介质导波回路、介质稳频振荡器等微波元件。
微波介质陶瓷材料的谐振频率温度系数表示环境温度变化时，谐振中心频率的相对偏移量，该系数是微波介质陶瓷材料介电性能的重要参数之一。随着电路的集成度提高，元件密度增大，单位体积上产生的热量越来越多，因而电路对器件性能的温度稳定性要求越来越高。如果微波介质材料的谐振频率随温度变化较大，滤波器等元器件的载波信号在不同的温度下就会漂移，从而影响设备的使用性能。这就要求材料的谐振频率不能随温度变化太大。温度的实际要求范围大致是－40℃-+100℃，在这个范围内，材料的频率温度系数TCF不大于30ppm/℃。目前，己实用化的微波介质陶瓷材料的频率温度系数可达0ppm/℃，从而可以实现器件的高稳定性和高可靠性。
因此，寻找、制备与研究温度稳定型，即近零谐振频率温度系数(TCF＝0ppm/℃)、低成本、环保的新型微波介质陶瓷成为了人们当前研究的热点之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Co基温度稳定型微波介质陶瓷及其制备方法，该微波介质陶瓷相对介电常数较高，微波性能良好，谐振频率温度系数可调，化学组成及制备方法简单。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种Co基温度稳定型微波介质陶瓷，该陶瓷的组成表述为(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5，其中0.5≤x≤0.75。
该微波介质陶瓷以金红石相和钙钛矿两相复合，Co元素与Ti元素一部分存在于金红石相中，另一部分存在于钙钛矿相中，Nb元素仅存在于金红石相中。
所述微波介质陶瓷的相对介电常数为31.3～42，微波性能Qf＝40,940GHz～42,300GHz，谐振频率温度系数为-16ppm/℃～+18ppm/℃。
本发明公开了一种Co基温度稳定型微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
1)将钴、铌和钛的氧化物按照(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5的摩尔比称量后混合，经一次球磨后烘干、过筛并压制成块状体，然后将块状体在1150℃下保温4.5h，得到样品烧块；其中，0.5≤x≤0.75；
2)将样品烧块粉碎后经二次球磨，再经烘干、造粒、过筛，然后将过筛后的颗粒压制成型，在1250℃～1340℃下烧结2h成瓷，得到Co基温度稳定型微波介质陶瓷。
所述的钴、铌和钛的氧化物分别为Co2O3、Nb2O5、和TiO2。
在进行一次球磨和二次球磨时，每次球磨的时间为4h～5h，烘干的温度为100℃～120℃。
所述的过筛，步骤1)为过120目的筛网，步骤2)为双层过筛：过60目与120目的筛网。
所述的造粒是将粉体与聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米级的球形颗粒。
所述的步骤2)的烧结是在空气氛围下的烧结。
所述的步骤2)的压制成型是压制成块状或圆柱状。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的Co基温度稳定型微波介质陶瓷，以富含Co元素的金红石相及钙钛矿相为主元，在1250℃～1340℃下进行烧结制得。根据晶体化学原理和电介质有关理论，以Co、Nb及Ti组成的金红石相及Co、Ti组成的钙钛矿相复合为基础，通过适当的陶瓷工艺，可以在空气氛围中烧结出致密的且具备优良微波介电性能的新型功能陶瓷，这类陶瓷可以作为射频多层陶瓷电容器、片式微波介质谐振器或滤波器、陶瓷天线、多芯片组件(MCM)等介质材料使用。
进一步地，在所述的陶瓷中，以金红石相和钙钛矿两相复合为基础原理。其中Co与Ti均一部分存在于金红石相中，一部分存在于钙钛矿相中；Nb只存在于金红石相中。通过适当的陶瓷工艺，在一定烧结温度范围内可以形成两相复合的致密陶瓷。
本发明的Co基温度稳定型微波介质陶瓷材料具有以下特点：相对介电常数可调(31.3～42)，微波性能良好(Qf＝40,900GHz～42,300GHz)，谐振频率温度系数近零且易调控(-16ppm/℃～+18ppm/℃)，化学组成及制备工艺简单。
本发明采用了最简单有效的固相反应烧结的方法来制备，首先是选取合适比例的配方，选取合适的初始氧化物，通过一次球磨使得各种氧化物混合均匀，通过预烧结过程使得氧化物进行初步的反应，再通过二次球磨细化反应物的颗粒尺寸，最后通过烧结过程得到所需要的陶瓷样品。通过这样一种简单易行的有效的制备方法，得到的陶瓷样品的介电常数随成分在31.3～42之间变化，Qf分布在40,900GHz～42,300GHz，谐振频率温度系数近零且易调控(-16ppm/℃～+18ppm/℃)，烧结温度1250℃～1340℃。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开的Co基温度稳定型微波介质陶瓷材料的配方表达式为：(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5，其中0.5≤x≤0.75。
所述的Co基温度稳定型微波介质陶瓷材料具体制备方法是：将化学原料Co2O3、Nb2O5和TiO2按配方通式(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5，其中0.5≤x≤0.75。充分混合球磨4～5个小时，磨细后烘干、过筛、压块，然后经1150℃预烧，并保温4.5小时；
将预烧后的块体进行二次球磨，磨细烘干后造粒，经60目与120目筛网双层过筛；
将瓷料按需要压制成型，然后在1250℃～1340℃下烧结2小时成瓷，即可得到Co基温度稳定型微波介质陶瓷材料。
实施例1：
将分析纯度的原料Co2O3、Nb2O5和TiO2按配方(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5(其中x＝0.5)中的摩尔比配制后，充分混合球磨(200转/分钟)4个小时，然后120℃下烘干、过120目的筛、压块，在空气氛围下经1150℃保温4.5个小时，得到样品烧块；
然后将样品烧块粉碎后再进行二次球磨，球磨时间为5小时，在120℃下烘干后造粒(将粉体与聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米级的球形颗粒)，经60目与120目筛网双层过筛，即可得到所需瓷料；将瓷料按需要压制成型，然后在1250℃空气下烧结2h成瓷，即可得到Co基温度稳定型微波介质陶瓷及其制备方法材料。
该组陶瓷材料的性能达到如下指标：
1250℃空气中烧结成瓷，微波下的介电性能εr＝42(5.64GHz)，品质因子Q＝7500，Qf＝42,300GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF＝+18ppm/℃(25℃～85℃)。
实施例2：
将分析纯度的原料Co2O3、Nb2O5和TiO2按配方(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5(其中x＝0.6)中的摩尔比配制后，充分混合球磨(200转/分钟)4个小时，然后120℃下烘干、过120目的筛、压块，在空气氛围下经1150℃保温4.5个小时，得到样品烧块；
然后将样品烧块粉碎后再进行二次球磨，球磨时间为5小时，在120℃下烘干后造粒(将粉体与聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米级的球形颗粒)，经60目与120目筛网双层过筛，即可得到所需瓷料；将瓷料按需要压制成型，然后在1280℃空气下烧结2h成瓷，即可得到Co基温度稳定型微波介质陶瓷及其制备方法材料。
该组陶瓷材料的性能达到如下指标：
1280℃空气中烧结成瓷，微波下的介电性能εr＝37.6(5.986GHz)，品质因子Q＝7000，Qf＝41,900GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF＝+4.4ppm/℃(25℃～85℃)。
实施例3：
将分析纯度的原料Co2O3、Nb2O5和TiO2按配方(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5(其中x＝0.65)中的摩尔比配制后，充分混合球磨(200转/分钟)4个小时，然后120℃下烘干、过120目的筛、压块，在空气氛围下经1150℃保温4.5个小时，得到样品烧块；
然后将样品烧块粉碎后再进行二次球磨，球磨时间为5小时，在120℃下烘干后造粒(将粉体与聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米级的球形颗粒)，经60目与120目筛网双层过筛，即可得到所需瓷料；将瓷料按需要压制成型，然后在1300℃空气下烧结2h成瓷，即可得到Co基温度稳定型微波介质陶瓷及其制备方法材料。
该组陶瓷材料的性能达到如下指标：
1300℃空气中烧结成瓷，微波下的介电性能εr＝35.4(6.35GHz)，品质因子Q＝7000，Qf＝44,450GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF＝-2.4ppm/℃(25℃～85℃)。
实施例4：
将分析纯度的原料Co2O3、Nb2O5和TiO2按配方(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5(其中x＝0.7)中的摩尔比配制后，充分混合球磨(200转/分钟)4个小时，然后120℃下烘干、过120目的筛、压块，在空气氛围下经1150℃保温4.5个小时，得到样品烧块；
然后将样品烧块粉碎后再进行二次球磨，球磨时间为5小时，在120℃下烘干后造粒(将粉体与聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米级的球形颗粒)，经60目与120目筛网双层过筛，即可得到所需瓷料；将瓷料按需要压制成型，然后在1320℃空气下烧结2h成瓷，即可得到Co基温度稳定型微波介质陶瓷及其制备方法材料。
该组陶瓷材料的性能达到如下指标：
1320℃空气中烧结成瓷，微波下的介电性能εr＝33.2(6.207GHz)，品质因子Q＝6900，Qf＝42,830GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF＝-9.2ppm/℃(25℃～85℃)。
实施例5：
将分析纯度的原料Co2O3、Nb2O5和TiO2按配方(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5(其中x＝0.75)中的摩尔比配制后，充分混合球磨(200转/分钟)4个小时，然后120℃下烘干、过120目的筛、压块，在空气氛围下经1150℃保温4.5个小时，得到样品烧块；
然后将样品烧块粉碎后再进行二次球磨，球磨时间为5小时，在120℃下烘干后造粒(将粉体与聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米级的球形颗粒)，经60目与120目筛网双层过筛，即可得到所需瓷料；将瓷料按需要压制成型，然后在1340℃空气下烧结2h成瓷，即可得到Co基温度稳定型微波介质陶瓷及其制备方法材料。
该组陶瓷材料的性能达到如下指标：
1340℃空气中烧结成瓷，微波下的介电性能εr＝31.3(6.02GHz)，品质因子Q＝6800，Qf＝40,940GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF＝-16ppm/℃(25℃～85℃)。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种Co基温度稳定型微波介质陶瓷，其特征在于，该陶瓷的组成表述为(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5，其中0.5≤x≤0.75。
2.根据权利要求1所述的Co基温度稳定型微波介质陶瓷，其特征在于，该微波介质陶瓷以金红石相和钙钛矿两相复合，Co元素与Ti元素一部分存在于金红石相中，另一部分存在于钙钛矿相中，Nb元素仅存在于金红石相中。
3.根据权利要求1所述的Co基温度稳定型微波介质陶瓷，其特征在于，所述微波介质陶瓷的相对介电常数为31.3～42，微波性能Qf＝40,940GHz～42,300GHz，谐振频率温度系数为-16ppm/℃～+18ppm/℃。
4.一种Co基温度稳定型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将钴、铌和钛的氧化物按照(1-0.5x)TiO2-(1-0.5x)CoO-0.5xNb2O5的摩尔比称量后混合，经一次球磨后烘干、过筛并压制成块状体，然后将块状体在1150℃下保温4.5h，得到样品烧块；其中，0.5≤x≤0.75；
2)将样品烧块粉碎后经二次球磨，再经烘干、造粒、过筛，然后将过筛后的颗粒压制成型，在1250℃～1340℃下烧结2h成瓷，得到Co基温度稳定型微波介质陶瓷。
5.根据权利要求4所述的Co基温度稳定型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的钴、铌和钛的氧化物分别为Co2O3、Nb2O5和TiO2。
6.根据权利要求4所述的Co基温度稳定型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，在进行一次球磨和二次球磨时，每次球磨的时间为4h～5h，烘干的温度为100℃～120℃。
7.根据权利要求4所述的Co基温度稳定型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的过筛，步骤1)为过120目的筛网，步骤2)为双层过筛：过60目与120目的筛网。
8.根据权利要求4所述的Co基温度稳定型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的造粒是将粉体与聚乙烯醇的水溶液混合，然后制成微米级的球形颗粒。
9.根据权利要求4所述的Co基温度稳定型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)的烧结是在空气氛围下的烧结。
10.根据权利要求4所述的Co基温度稳定型微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)的压制成型是压制成块状或圆柱状。
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