一种高品质因数中k值微波介质陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子陶瓷及其制备领域，特别涉及一种高品质因数中Κ值微波介质陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]无线系统的能耗由多个因素决定，其中微波无源器件及其电路是信号传输损耗的主要起源。无源器件在无线系统承载着前端电磁波能量接收与发送、阻抗匹配、能量分配、能量与信号耦合、频率选择等功能，但同时由于无源器件发展的滞后性，也使其成为制约通信系统灵敏度、信噪比、带宽、覆盖范围、通信容量、信号质量、辐射强度和系统能耗等一系列性能参数的主要瓶颈。以移动通信基站为例，发射前端的能耗一般占系统总能耗的60-80%，而发射出的信号能量仅占总能量的5-15%左右，其中损耗的能量有相当一部分是由无源电路引起的。而发射端损耗每增加3dB，意味着信号将减少一半的覆盖范围。对于蜂窝无线通信系统而言，理论上就需要增加一倍的基站数量来弥补由于损耗增加而导致的覆盖范围的缩减。因此，发展具有超低损耗的新一代微波介质器件成为无线通信系统的关键问题，也是目前世界范围研究开发的焦点所在。
[0004]综上所述，寻找、制备与研究具有超低损耗(Qf>20，000GHz)、近零谐振频率温度系数(TCF = 0ppm/°C )、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】
[0005]本发明的目的在于提供一种高品质因数中K值微波介质陶瓷及其制备方法，该陶瓷材料相对介电常数较高，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。
[0006]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0007]本发明公开了一种高品质因数中K值微波介质陶瓷，该微波介质陶瓷的化学组成为:(1+0.4x)Ti02-(l-x) CoO-0.2xNb205-0.2xNi0，其中 0.8 彡 x 彡 0.9。
[0008]该微波介质陶瓷以金红石相和钙钛矿两相复合，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；Ni元素和Nb元素仅存在于金红石相中；Co元素仅存在于钙钛矿相中。
[0009]所述微波介质陶瓷的相对介电常数为26.5?33，微波性能Qf = 28，890GHz?32，430GHz，谐振频率温度系数为-13ppm/°C?+24ppm/°C。
[0010]本发明还公开了高品质因数中K值微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤:
[0011]1)按(λ 9 (1-x) SrO-0.1 (l_x) Ca0-x/4Li20_x/2Ce02-Ti02式中的摩尔比，取镍、钴、铌和钛的氧化物，混合后经一次球磨，然后烘干、过筛并压制成块状体，在1150°C下保温4.5h，得到样品烧块；其中，0.8彡X彡0.9 ;
[0012]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°C?1320°C下烧结2h成瓷，得到高品质因数中K值微波介质陶瓷。
[0013]所述的镍、钴、铌和钛的氧化物分别为N1、Co203、Nb205和T1 2。
[0014]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。。。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]所述的步骤2)的烧结是在空气氛围下的烧结。
[0018]所述的步骤2)的压制成型是压制成块状或圆柱状。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0020]本发明公开的高品质因数中Κ值微波介质陶瓷，以富含Ni元素的金红石相及钙钛矿相为主元，在1250°C?1320°C下进行烧结。本发明根据晶体化学原理和电介质有关理论，以N1、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。
[0021]进一步地，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Ti 一部分存在于金红石相中，一部分存在于钙钛矿相中；N1、Nb只存在于金红石相中；Co只存在于钙钛矿相中。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
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[0022]本发明的高品质因数中Κ值微波介质陶瓷材料具有以下特点:相对介电常数可调(26.5?33)，微波性能良好(Qf = 28，890GHz?32，430GHz)，谐振频率温度系数近零且易调控(_13ppm/°C?+24ppm/°C )，化学组成及制备工艺简单。
[0023]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，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26.5?33之间变化，Qf分布在28，890GHz?32，430GHz，谐振频率温度系数近零且易调控(_13ppm/°C?+24ppm/°C )，烧结温度 1250°C?1320°C。
【具体实施方式】
[0024]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。
[0025]本发明公开的高品质因数中K值微波介质陶瓷材料的配方表达式为:(1+0.4x)Ti02-(l-x) Co0-0.2xNb205-0.2xNi0，其中 0.8 彡 x 彡 0.9。
[0026]制备上述高品质因数中K值微波介质陶瓷材料具体方法是:
[0027]将化学原料N1、Co203、Nb205和 T1 2按配方通式(1+0.4x)T1 2-(l_x)Co0-0.2xNb205-0.2xNi0(其中0.8彡x彡0.9)充分混合球磨4?5个小时，磨细后烘干、过筛、压块，然后经1150°C预烧，并保温4.5小时；
[0028]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；
[0029]将瓷料按需要压制成型，然后在1250°C?1340°C下烧结2小时成瓷，即可得到高品质因数中K值微波介质陶瓷材料。
[0030]实施例1:
[0031]将分析纯度的原料N1、Co203、Nb205和 T1 2按配方(1+0.4χ)Τ?0 2-(1-χ)Co0-0.2xNb205-0.2xNi0 (其中x = 0.8)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°C下烘干、过120目的筛、压块，在空气氛围下经1150°C保温4.5个小时，得到样品烧块；
[0032]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°C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°C空气下烧结2h成瓷，即可得到高品质因数中K值微