一种低损耗型低介电常数微波介电陶瓷Li₃MgNbO₅的制作方法

一种低损耗型低介电常数微波介电陶瓷Li₃MgNbO₅的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种岩盐结构复合氧化物Li3MgNbO5作为低损耗型低介电常数微波介电陶瓷的应用及其制备方法。（1）将纯度为99.9%（重量百分比）以上的Li2CO3、MgO和Nb2O5的原始粉末按Li3MgNbO5的组成称量配料；（2）将步骤（1）原料湿式球磨混合8小时，球磨介质为无水乙醇，烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时；（3）在步骤（2）制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1100~1200℃大气气氛中烧结4小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量占粉末总质量的3%。本发明制备的陶瓷烧结良好，介电常数达到15.4～16.7，其品质因数Q×f值高达63,000?76,000GHz，谐振频率温度系数小，在工业上有着极大的应用价值。
【专利说明】
一种低损耗型低介电常数微波介电陶瓷Li 3MgNb05
技术领域
[0001] 本发明涉及介电陶瓷材料，特别是涉及用于制造微波频率使用的陶瓷基板、谐振 器与滤波器等微波元器件的介电陶瓷材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 微波介电陶瓷是指应用于微波频段(主要是UHF和SHF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、介质基片和介质 导波回路等元器件，是现代通信技术的关键基础材料，已在便携式移动电话、汽车电话、无 绳电话、电视卫星接受器和军事雷达等方面有着十分重要的应用，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。
[0003] 国际上从20世纪30年代末就有人尝试将电介质材料应用于微波技术，并制备出 TiO2微波介质滤波器，但其谐振频率温度系数T/太大而无法实用化。上世纪70年代以来，开 始了大规模的对介质陶瓷材料的开发工作，根据相对介电常数^的大小与使用频段的不 同，通常可将已被开发和正在开发的微波介质陶瓷分为4类。
[0004] (1)超低介电常数微波介电陶瓷，主要代表是Al2〇3-Ti〇2、Y2BaCu0 5、MgAl2〇4和 Mg2Si〇4等，其Er < 20，Βαπ质因数QXf 2 50000GHz，v < 10 ppm/°c。主要用于微波基板 以及高端微波元器件。
[0005] (2Mger和高Q值的微波介电陶瓷，主要是Ba〇-Mg〇-Ta2〇5，BaO-ZnO-Ta 2O5或BaO-MgO-Nb2O5, BaO-ZnO-Nb2O5系统或它们之间的复合系统MWDC材料。其εΓ= 20~35，Q = (1~ 2) X 104(在f 2 10 GHz下），τ/ ? 〇。主要应用于f 2 8 GHz的卫星直播等微波通信机中 作为介质谐振器件。
[0006] (3)中等值的微波介电陶瓷，主要是以BaTi4〇9、Ba2Ti9〇20和(Zr、Sn)Ti〇4等为 基的MWDC材料，其ε Γ= 35~45，Q =(6~9)X103(在f = 3~一4GHz下），τ/ < 5 ppm/°C。主 要用于4~8 GHz频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件。
[0007] (4)高^而〇值较低的微波介电陶瓷，主要用于0.8~4 GHz频率范围内民用移动通 讯系统，这也是微波介电陶瓷研究的重点。80年代以来，Kolar、Kato等人相继发现并研究了 类钙钛矿钨青铜型BaO-Ln 2O3-TiO2系列(Ln=La、Sm、Nd或Pr等，简称BLT系）、复合钙钛矿 结构CaO-Li2〇一Ln2〇3-Ti〇2系列、铅基系列材料、Cai- xLn2x/3Ti〇3系等尚￡]:微波介电陶瓷， 其中BLT体系的BaO-NcbO 3-Ti〇2材料介电常数达到90,铅基系列（Pb,Ca)Zr03介电常数达 到 105〇
[0008] 应用于微波频段的介电陶瓷，应满足如下介电特性的要求：（1)系列化介电常数^ 以适应不同频率及不同应用场合的要求；（2)高的品质因数Q值或低的介质损耗tanS以降低 噪音，一般要求QXf 2 3000 GHz; (3)谐振频率的温度系数T/尽可能小以保证器件具有好 的热稳定性，一般要求-10 ppm/°C < τ/ < +10 ppm/°C。由于微波介电陶瓷的三个性能 指标与QXf和τ/)之间是相互制约的关系（见文献:微波介质陶瓷材料介电性能间的制 约关系，朱建华，梁飞，汪小红，吕文中，电子元件与材料，2005年3月第3期），满足三个性能 要求且可低温烧结的单相微波介质陶瓷非常少，主要是它们的谐振频率温度系数通常过大 或者品质因数偏低而无法实际应用要求。目前对微波介质陶瓷的研究大部分是通过大量实 验而得出的经验总结，却没有完整的理论来阐述微观结构与介电性能的关系。因此，在理论 上还无法从化合物的组成与结构上预测其谐振频率温度系数和品质因数等微波介电性能。 探索与开发同时具有近零谐振频率温度系数(-10 ppm/°c < τ/ < +10 ppm/°C)与较高 品质因数的微波介电陶瓷是本领域技术人员一直渴望解决但始终难以获得成功的难题。
[0009] 为进一步探索新型微波介质材料，上海大学卞建江研究小组报道了 A3BO4型岩盐结 构Li3NKk陶瓷具有低介电常数（e r~ 16.4)和高品质因数Q X f值(47，200 GHz)，而其谐振频 率温度系数τ/负值偏大(-45 ppm/°C)。岩盐结构是AaBb0a+b型化合物最典型的结构之一，其 结构以共棱的氧八面体[B06 ]为骨架构成的网络结构，其中阴离子B排列成立方密堆积，阳 离子A填充在阴离子构成的八面体空隙中，A和B的配位数均为6。岩盐结构化学组分的多变 性和结构的可调性说明其微波介电性能可以在很宽的范围内进行调整。我们对通式为 Li3MgxNb〇4+x(0 < X < 4)体系进行了微波介电性能的研究，发现Li3MgNbO5具有较好的综 合微波介电性能。

【发明内容】

[0010] 本发明的目的是提供一种具有良好热稳定性与低损耗的低介电常数微波介电陶 瓷材料及其制备方法。
[0011]本发明的微波介电陶瓷材料的化学组成为Li3MgNbO5。
[0012]本微波介电陶瓷材料的制备方法步骤为： (1) 将纯度为99.9%(重量百分比）以上的Li2C〇3、MgO和Nb2O5的原始粉末按Li 3MgNbO5的 组成称量配料； (2) 将步骤（1)原料湿式球磨混合8小时，球磨介质为无水乙醇，烘干后在900°C大气气 氛中预烧4小时； (3) 在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1100~1200°C大 气气氛中烧结4小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量 占粉末总质量的3%。
[0013] 本发明的优点：Li3MgNb05陶瓷的介电常数达到15.4~16.7，品质因数Q X f值高达 63,000-76,0006他，谐振频率的温度系数1/较小，可广泛用于各种介质基板、谐振器和滤波 器等微波器件的制造，在工业上有着极大的应用价值。
【具体实施方式】
[0014] 实施例： 表1示出了构成本发明的不同烧结温度的3个具体实施例及其微波介电性能。其制备方 法如上所述，用圆柱介质谐振器法进行微波介电性能的评价。
[0015] 本陶瓷可广泛用于各种介质基板、谐振器和滤波器等微波器件的制造，可满足移 动通信和卫星通信等系统的技术需要。
[0016] 表1:
【主权项】
1. 一种作为温度稳定型低介电常数微波介电陶瓷应用的复合氧化物，其特征在于所述 复合氧化物的化学组成为:Li3MgNb〇5; 所述复合氧化物的制备方法步骤为： (1) 将纯度为99.9%(重量百分比）以上的1^2〇)3、1^0和恥20 5的原始粉末按1^31^他05的 组成称量配料； (2) 将步骤（1)原料湿式球磨混合8小时，球磨介质为无水乙醇，烘干后在900°C大气气 氛中预烧4小时； (3) 在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1100~1200°C大 气气氛中烧结4小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量 占粉末总质量的3%。
【文档编号】C04B35/495GK105859284SQ201610199093
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】李纯纯, 王丹, 相怀成, 杨光杰
【申请人】桂林理工大学