一种微波介质陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明属于电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及的是一种具有中低介电常数、q·f高且谐振频率温度系数τf近于零等特点的微波介质陶瓷材料及其制备方法。可用于制作介质谐振器、滤波器及双工器等微波器件。

背景技术：

近年来，由于微波通信事业的迅速发展，移动通讯、卫星通讯、全球卫星定位、蓝牙、无线局域网等现代通信技术领域对小型化、高性能化的微波电路和微波器件的需求量日益增加。实现微波设备的小型化、高稳定性和廉价的途径是微波电路的集成化。传统的金属谐振腔和金属波导体积和重量过大，限制了微波集成电路的发展，而微波介电陶瓷能够很好解决这些问题。

微波介质陶瓷材料是指应用于微波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、介质导波回路等微波元器件，是现代通信技术的关键基础材料。目前，微波介质陶瓷材料已应用于便携式移动电话、电视卫星接收器、军事雷达等方面，其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。

材料是器件的基础，随着微波介质陶瓷器件的发展，相应的应用于微波频段的介电陶瓷应满足要求主要如下：适宜的介电常数以利于器件的小型化，超高品质因素的q·f值，稳定的近零的频率温度系数。

偏钛酸镁陶瓷是一种重要的微波介质陶瓷材料，因其原料丰富、成本低廉，故日益受到人们的关注，目前已成为应用最广泛的微波介质陶瓷材料之一，可以用它制作热补偿电容器、多层陶瓷电容器、介质滤波器以及介质谐振器等。mgtio3陶瓷的谐振频率温度系数τf＝-50ppm/℃，为了调节其谐振频率温度系数使其近于零，人们一般采用掺杂谐振频率温度系数为+800ppm/℃的catio3来获得接近于零的谐振频率温度系数的材料。mgo-cao-tio2(mct)体系陶瓷材料是一种良好的微波介质陶瓷材料，然而，其中钛酸钙相存在介质损耗较高的不足，无法满足低插损微波器件的要求，mgo-cao-tio2体系陶瓷材料的烧结温度为1400～1450℃，因其烧结温度较高，使得烧结成本较高，限制了mct体系陶瓷材料的应用。

因此，当前需要一种工艺简单、原材料成本比较低、烧结温度比较低并且同时满足低损耗特性的微波介质陶瓷，以满足微波通信行业的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有中低介电常数、q·f高及温度变化率低等特点的微波介质陶瓷材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种微波介质陶瓷材料，由主晶相材料和掺杂相材料经球磨混合、预烧、掺杂球磨、喷雾造粒制成。其中：所述主晶相材料为mgtio3质量百分比为90～97％，catio3质量百分比为3～10％；所述掺杂相材料er2o3，质量百分比为0～1％。

所述主晶相材料中mgtio3、catio3之间的摩尔比为1-x：x，x为0.03～0.1。

所述掺杂相材料为氧化物er2o3，质量百分比为0～1％。

一种微波介质陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）、主晶相材料制备，按摩尔比分别称量轻质mgo、tio2和caco3、tio2，按料∶球∶水的比例1：2：0.8进行球磨，压滤烘干后，在高温下预烧，合成主晶相材料mgtio3和catio3。

（2）、预烧后的主晶相材料，粉碎后按1-x：x的摩尔比称取，再加入0～1％的掺杂相材料er2o3，按步骤一的条件进行二次球磨，浆料加入22wt%的pva溶液，喷雾干燥成球状颗粒。

本发明的微波介质陶瓷材料的成分组成为：（1-x）mgtio3+xcatio3+ywt％er2o3，其中x为0.03～0.15，y为0～1。

本发明组成微波介质陶瓷材料的关键组成为（1-x）mgtio3+xcatio3+ywt％er2o3，配方成分中含有镁、钙、钛和铒元素，制备这种微波介质陶瓷材料的原材料mg、ca、ti、er是含这些元素的盐及氧化物。其中，掺杂元素铒是为了调整微波介质陶瓷材料的品质因数q·f，降低烧结温度。

本发明的主要重点在于微波介质陶瓷材料的成分配方，实际应用过程中可以根据需要对合成方法和生产工艺进行相应调整，灵活性大。合成方法可采用固相反应法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、气相沉积法或其它陶瓷材料的合成方法来实现。本发明选用适于工业大生产的固相反应法，利于生产成本降低。

本发明的微波介质陶瓷材料特性的检测是采用压制成圆片，高温烧结，烧渗银电极，用hp4291b阻抗分析仪来测量瓷片的特性参数。

本发明涉及的微波介质陶瓷材料的特色和优势表现在：①材料成分简单，原材料比较丰富，环境友好；②制备过程中预烧温度较低，降低生产成本；③材料以元素铒作为掺杂元素；④通过调整钛酸钙含量可调介电常数及温度变化率；⑤通过调节成分组成中铒的含量，可以调节品质因数，降低烧结温度。

本发明微波介质陶瓷材料的电性能可实现以下参数要求：介电常数εr为20～22，q·f≥65000ghz，τf≈0±2ppm/℃。

本发明的有益之处在于：制备方法工艺简单，生产成本低，容易实现，烧结温度低，提高了材料的q·f值，降低了产品的τf值，能满足微波条件下的使用要求。

本发明的内容结合以下实施例作进一步的说明。以下实施例只是符合本发明技术内容的几个实例，并不说明本发明仅限于下述实例所述的内容。本发明的重点在于成分配方，所述原材料、工艺方法和步骤可以根据实际生产条件进行相应的调整，灵活性大。

图1为观察到的本发明微波介质陶瓷材料内部结构示意图。

具体实施方式

本发明采用分析纯度的轻质mgo、caco3、tio2为原料制备主晶相，以纯度为4n的er2o3进行掺杂，具体实施方式如下：按表1称量配料，将混合料放入搅拌式球磨罐中，按料球水质量比1:2:0.8，球磨2～6小时，转速为260转/分钟。粒度控制在d50=1.2μm以内，将球磨混好的料压滤，放于100℃烘箱烘干，粉碎后过40目筛，在箱式电阻炉中按表中条件预烧，粉碎后过40目筛备用；按表2中的比例添加掺杂相材料er2o3进行二次球磨，粒度控制在0.8μm以下，浆料加入22wt%的pva溶液，进行喷雾造粒，用手动压机20mpa成型外径φ12.2mm，厚度2mm的圆片。将生坯样置于烧结炉中，1320℃/5h条件下，烧结成瓷片样品，两面涂覆银浆，850℃/10m条件下烧渗，通过hp4291b阻抗分析仪对样品进行性能测试。

本发明具体实施例成瓷密度、介电性能结果详细见表3。

表1主晶相材料合成条件。

表2成品料配料表。

表3各实例的样品性能。