本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种以li3co2nbo6为化学式的低介电常数、高品质因数(高q值)的微波介质陶瓷材料及其制备方法。
背景技术：
微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一定功能的陶瓷，是近年来发展起来的一种新型功能陶瓷，在现代微波通讯系统中被广泛用于制造介质谐振器、介质滤波器、介质天线、介质双工器、介质波导回路等。随着信息技术的飞速发展，高性能微波器件不断涌现，对具有高品质因数(高q值)微波介质陶瓷的需求也越来越多。尤其对谐振器或者滤波器来说，更高的q值意味着更低的差损与信噪比以及更好的频率选择特性。
目前研究较多的高q值微波介质陶瓷体系有：al2o3系、a2sio4(其中a＝mg，zn)系、mgtio3-catio3系、a(b′b″)o3系(a＝ba，sr，ca；b′＝mg，zn；b″＝nb，ta)。其中al2o3系和a2sio4系微波介质陶瓷介电常数小于10，而mgtio3-catio3系和a(b′b″)o3系微波介质陶瓷介电常数大于20。为了满足设计不同工作频率的微波器件，需要微波介质陶瓷实现介电常数系列化。近年来，岩盐结构的li2o-mo-nb2o5(m＝zn，mg，ca，ni，mn)三元陶瓷材料开始受到研究者的关注，这类陶瓷体系具有高的q值，低的谐振频率温度系数，介电常数在10到20之间。如yuan等人于首次报道了li3mg2nbo6陶瓷的微波介电性能：εr～16.8，q×f～79643ghz，τf～-27.2ppm/℃(l.l.yuan,j.j.bian,ferroelectrics2009,387:123)；zhang等人在此基础上通过微量掺杂zn2+替代mg2+，提高了原体系的品质因数，同时降低了原体系的烧结温度，li3m2nbo6陶瓷体系表现出优异的微波介电性能(y.g.zhao,p.zhang,journalofalloysandcompounds2016,658:744–748)。然而，在li2o-mo-nb2o5体系中鲜有对li2o-coo-nb2o5三元复合陶瓷材料的研究，尤其是研究li3co2nbo6陶瓷的微波介电性能。
技术实现要素：
本发明的目的，是针对li3co2nbo6微波介质陶瓷的进一步研究，提供一种具有高品质因数、介电常数在15～20的新型微波介质陶瓷，以满足卫星通讯系统、全球定位系统中微波器件对系列化低介电常数微波介质陶瓷材料的需求。本发明的另外一个目的是提供上述微波介质陶瓷的制备方法。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种高品质因数微波介质陶瓷，其组成表达式为li3co2nbo6；
该高品质因数微波介质陶瓷采用简单的传统固相反应法制备，具体步骤如下：
(1)将li2co3和nb2o5作为原料，按摩尔比3:1进行称量配料，将称量好的粉料放入球磨罐中，加入无水乙醇和氧化锆球后球磨8～12h；然后于100℃下烘干，过40目筛；再于800～900℃预烧，保温12h，合成li3nbo4熔块；再将熔块球磨12～24h，烘干后过80目筛，得到li3nbo4粉料；
(2)将步骤(1)得到的li3nbo4粉料与coo原料按摩尔比1:2进行称量配料，将称量好的粉料放入球磨罐中，加入无水乙醇和氧化锆球后球磨12～24h；然后于100℃烘干，过40目筛；再于900～1000℃预烧，保温6h，合成li3co2nbo6熔块；
(3)将步骤(2)得到的li3co2nbo6熔块过40目筛，外加质量百分比为6％～8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，用粉末压片机压制成型为坯体；
(4)将步骤(3)得到的坯体于1160℃～1220℃烧结，保温4～6h，之后随炉自然冷却至室温，制成具有高品质因数微波介质陶瓷。
所述步骤(1)和步骤(2)的原料为分析纯原料。
所述步骤(1)和步骤(2)的原料与无水乙醇和氧化锆球的体积比为1:2:1。
所述步骤(1)和步骤(2)采用行星式球磨机进行球磨，球磨机转速为400转/分。
所述步骤(3)的坯体为φ10mm×5mm的圆柱体，是以2～4mpa的压力压制而成。
本发明通过预先合成li3nbo4粉体，然后通过添加coo原料，最终制备出高q值的li3co2nbo6新型微波介质陶瓷，当其在1160～1220℃烧结时，介电常数εr为16.5～18.2，品质因数q×f值为76100～113900ghz，谐振频率温度系数τf为-36～-24ppm/℃，该微波介质陶瓷材料有望成为制备高性能微波介质谐振器、介质滤波器、介质波导回路等器件的核心材料。此外，本发明制备工艺简单，过程无污染，具有重要的工业应用价值。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，具体实施例如下。
实施例1
(1)将分析纯li2co3(纯度≥98.5％)和nb2o5(纯度≥99.9％)作为原料，按摩尔比3:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨12h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，预烧合成li3nbo4熔块，预烧温度为800℃，保温时间为12h；预烧后二次球磨12h，在红外干燥箱中于100℃烘干，过80目筛，得到li3nbo4粉体；
(2)将分析纯coo(纯度≥99％)和步骤(1)的li3nbo4粉体按摩尔比2:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨24h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛；再预烧合成li3co2nbo6熔块，预烧温度为900℃，保温时间为6h；
(3)将li3co2nbo6熔块外加质量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，利用粉末压片机在4mpa压力下单向加压，压成φ10mm×5mm的圆柱体坯体；
(4)将坯体放入烧结炉中，于1160℃烧结，保温4h，之后随炉自然冷却至室温，最终得到具有高品质因数的微波介质陶瓷；
(5)采用网络分析仪测试本实施例制品的微波介电性能，测试结果如下：
介电常数为16.5；
品质因数为76100ghz；
谐振频率温度系数为-27ppm/℃。
实施例2
(1)将分析纯li2co3(纯度≥98.5％)和nb2o5(纯度≥99.9％)作为原料，按摩尔比3:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨12h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，预烧合成li3nbo4熔块，预烧温度为800℃，保温时间为12h，预烧后二次球磨24h，在红外干燥箱中于100℃烘干，过80目筛，得到li3nbo4粉体；
(2)将分析纯coo(纯度≥99％)和步骤(1)的li3nbo4粉体按摩尔比2:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨24h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，再预烧合成li3co2nbo6熔块，预烧温度为1000℃，保温时间为6h；
(3)将li3co2nbo6熔块外加质量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，利用粉末压片机在2mpa压力下单向加压，压成φ10mm×5mm的圆柱体坯体；
(4)将坯体放入烧结炉中，于1180℃烧结，保温4h，之后随炉自然冷却至室温，最终得到具有高品质因数的微波介质陶瓷；
(5)采用网络分析仪测试本实施例制品的微波介电性能，测试结果如下：
介电常数为16.9；
品质因数为82300ghz；
谐振频率温度系数为-24ppm/℃。
实施例3
(1)将分析纯li2co3(纯度≥98.5％)和nb2o5(纯度≥99.9％)作为原料，按摩尔比3:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨12h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，预烧合成li3nbo4熔块，预烧温度为800℃，保温时间为12h，预烧后二次球磨24h，在红外干燥箱中于100℃烘干，过80目筛，得到li3nbo4粉体；
(2)将分析纯coo(纯度≥99％)和步骤(1)的li3nbo4粉体按摩尔比2:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨24h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，再预烧合成li3co2nbo6熔块，预烧温度为1000℃，保温时间为6h；
(3)将li3co2nbo6熔块外加质量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，利用粉末压片机在2mpa压力下单向加压，压成φ10mm×5mm的圆柱体坯体；
(4)将坯体放入烧结炉中，于1190℃烧结，保温4h，之后随炉自然冷却至室温，最终得到具有高品质因数的微波介质陶瓷；
(5)采用网络分析仪测试本实施例制品的微波介电性能，测试结果如下：
介电常数为17.1；
品质因数为89500ghz；
谐振频率温度系数为-28ppm/℃。
实施例4
(1)将分析纯li2co3(纯度≥98.5％)和nb2o5(纯度≥99.9％)作为原料，按摩尔比3:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨12h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，预烧合成li3nbo4熔块，预烧温度为800℃，保温时间为12h，预烧后二次球磨24h，在红外干燥箱中于100℃烘干，过80目筛，得到li3nbo4粉体；
(2)将分析纯coo(纯度≥99％)和步骤(1)的li3nbo4粉体按摩尔比2:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨24h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，再预烧合成li3co2nbo6熔块，预烧温度为1000℃，保温时间为6h；
(3)将li3co2nbo6熔块外加质量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，利用粉末压片机在2mpa压力下单向加压，压成φ10mm×5mm的圆柱体坯体；
(4)将坯体放入烧结炉中，于1200℃烧结，保温4h，之后随炉自然冷却至室温，最终得到具有高品质因数的微波介质陶瓷；
(5)采用网络分析仪测试本实施例制品的微波介电性能，测试结果如下：
介电常数为17.3；
品质因数为102700ghz；
谐振频率温度系数为-31ppm/℃。
实施例5
(1)将分析纯li2co3(纯度≥98.5％)和nb2o5(纯度≥99.9％)作为原料，按摩尔比3:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨12h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，预烧合成li3nbo4熔块，预烧温度为800℃，保温时间为12h，预烧后二次球磨24h，在红外干燥箱中于100℃烘干，过80目筛，得到li3nbo4粉体；
(2)将分析纯coo(纯度≥99％)和步骤(1)的li3nbo4粉体按摩尔比2:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨24h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，再预烧合成li3co2nbo6熔块，预烧温度为1000℃，保温时间为6h；
(3)将li3co2nbo6熔块外加质量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，利用粉末压片机在2mpa压力下单向加压，压成φ10mm×5mm的圆柱体坯体；
(4)将坯体放入烧结炉中，于1210℃烧结，保温6h，之后随炉自然冷却至室温，最终得到具有高品质因数的微波介质陶瓷；
(5)采用网络分析仪测试本实施例制品的微波介电性能，测试结果如下：
介电常数为17.8；
品质因数为113900ghz；
谐振频率温度系数为-32ppm/℃。
实施例6
(1)将分析纯li2co3(纯度≥98.5％)和nb2o5(纯度≥99.9％)作为原料，按摩尔比3:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨12h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，预烧合成li3nbo4熔块，预烧温度为800℃，保温时间为12h，预烧后二次球磨24h，在红外干燥箱中于100℃烘干，过80目筛，得到li3nbo4粉体；
(2)将分析纯coo(纯度≥99％)和步骤(1)的li3nbo4粉体按摩尔比2:1进行称量配料，将称量好的粉料放入尼龙球磨罐中，按粉料与球磨介质和磨球的体积比为1:2:1加入无水乙醇和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨24h，然后在红外干燥箱中于100℃烘干，过40目筛，再预烧合成li3co2nbo6熔块，预烧温度为1000℃，保温时间为6h；
(3)将li3co2nbo6熔块外加质量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，利用粉末压片机在2mpa压力下单向加压，压成φ10mm×5mm的圆柱体坯体；
(4)将坯体放入烧结炉中，于1220℃烧结，保温6h，之后随炉自然冷却至室温，最终得到具有高品质因数的微波介质陶瓷；
(5)采用网络分析仪测试本实施例制品的微波介电性能，测试结果如下：
介电常数为18.2；
品质因数为98400ghz；
谐振频率温度系数为-36ppm/℃。
以上各实施例的检测方法如下：
(1)制品的直径和厚度使用千分尺进行测量；
(2)根据hakki-coleman介质谐振法，使用agilent8720es矢量网络分析仪测试样品微波频段下的介电性能。频率温度系数τf值在25℃～85℃下测定。
通过以上实施例可以看出，本发明的高q值低介电常数微波介质陶瓷的εr为16.5～18.2，品质因数q×f值为76100～113900ghz，谐振频率温度系数τf在-36～-24ppm/℃范围内可调。特别是在1210℃烧结时，li3co2nbo6陶瓷的品质因数为113900ghz，介电常数为17.8，谐振频率温度系数为-32ppm/℃，当进一步提高烧结温度时，样品的品质因数下降，这可能跟样品晶粒二次结晶有关，引起晶粒的过分长大，造成微波介电性能恶化。其次，以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，这不能因此理解为对本发明专利的限制。应当指出的是，本领域技术人员在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和进一步改进，这些都属于本发明的保护范围。所以，本发明专利的保护范围应以所述权利要求为准。