系微波介质陶瓷及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种低温烧结NdNbO4-CaTiO3系微波介质陶瓷，其组成为NdNbO4-0.6wt.％CaTiO3-m wt.％Bi2O3，其中，0.2≤m≤8。先将原料Nd2O3和Nb2O5按照NdNbO4化学式配料，再经过球磨、烘干、过筛、预烧后，外加0.6wt.％CaTiO3和0.2～8wt％Bi2O3，二次配料；再经过造粒、压制成型后，将坯体于950～1100℃烧结，制成低温烧结的NdNbO4-CaTiO3系微波介质陶瓷。本发明成功地将烧结温度降至1000℃，其介电常数为20.3，谐振频率温度系数为-29.7ppm/℃，品质因数Q×f达到最大为52,780GHz。本发明制备工艺简单，过程无污染，是一种具有前途的微波介质材料。
【专利说明】低温烧结NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子信息材料与元器件领域，尤其涉及一种新型高Q值(品质因数)NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷的低温烧结方法。
【背景技术】
[0002]随着卫星广播和微波通信技术的快速发展，许多基于介电谐振器的微波设备已被很好的发展应用，并可以作为独立的元件应用在微波通信系统中。而电子信息技术不断向高频化和数字化方向发展，对元器件的小型化、集成化以至模块化的要求也越来越迫切。因此，微波应用的介质材料要求具有高介电常数、低介电损耗和近零谐振频率温度系数，同时能够在较低温度下烧制。
[0003]铌酸盐材料是重要的电子材料，具有优良的光电性能和非线性光学性能、良好的光学效应和电学性能以及变晶相界等独特性质，已广泛用于制造电容器和光电子器件。通常，钼和金常被用来作为高烧结温度(>1200°C)材料所制备的设备的内电极。高温烧结不仅使得制备过程花费增加，而且浪费了更多的资源。制备微波介电设备应趋于高能效和优性能的材料的研究，所以，降低材料的烧结温度，同时又使材料的介电性能不受到大的影响，将为使用熔点低的贱金属(如铜，银)来降低成本和能源消耗奠定基础。
[0004]铌酸钕陶瓷具有类钙钛矿白钨矿结构，具有适当的介电常数ε J19.6)，近零的谐振频率温度系数Tf(-24ppm/°C )，但品质因数QXf较低(33000GHz)，且烧结温度为1250°C。可见，品质因数较低和烧结温度较高制约着铌酸钕微波介质陶瓷的应用。本发明采用传统固相法，以CaT13为添加剂和Bi2O3为烧结助剂，制备了高Q铌酸钕系微波介质陶瓷，在介电常数和谐振频率温度系数基本保持不变的同时，提高铌酸钕系陶瓷的品质因数，降低烧结温度。
[0005]本 申请人:曾于2012年公开了一种高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷及其制备方法(CN102603296A)，该申请以Nd203、Nb2O5为原料，并加入CaF2作为助熔剂，克服品质因数QXf较低的缺陷，通过固相法制备具有高品质因数(75000GHz。)的铌酸钕系微波介质陶瓷。
[0006]本 申请人:还曾于2013年公开了另一种高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷及其制备方法(201310047133X)，以Nd203、Nb2O5为原料，加入CaT13为添加剂，采用传统固相法，提供了一种具有较高品质因数(70000GHz)的铌酸钕微波介质陶瓷。上述两种铌酸钕微波介质陶瓷的缺点是烧结温度较高，分别在1250?1300°C和1200?1325°C烧结，本发明在此基础之上，加入Bi2O3助熔剂，使其烧结温度明显降低(950?1000°C )，并保持了其良好的介电性能，能够满足实际应用的要求。
【发明内容】
[0007]本发明目的，是为克服现有技术的品质因数较低和烧结温度较高、制约着铌酸钕微波介质陶瓷应用的缺点，提供一种以Nd203、Nb205为主要原料，以CaT13为添加剂，以Bi2O3为烧结助剂，同时保持优异微波介电性能的低温烧结高Q值NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷的方法
[0008]本发明通过如下技术方案予以实现。
[0009]一种低温烧结NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷，其组成为NdNbO4-0.6wt.%CaT13I wt.% Bi2O3，其中，0.2 彡 m 彡 8 ;
[0010]该低温烧结NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷的制备方法，具有以下步骤:
[0011](I)将化学原料Nd2O3和Nb2O5按照NdNbO4化学式称量配料；
[0012](2)将步骤(I)的混合粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，球磨6小时；再将球磨后的原料于110°c烘干，过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；
[0013](3)将步骤⑵的过筛后的粉料于950°C预烧3小时，并在此温度下保温4小时；
[0014](4)向步骤(3)的预烧后的陶瓷粉料中外加0.6wt.% CaT13,并外加0.2?8wt%的低熔点烧结助剂Bi2O3, 二次配料。
[0015](5)将步骤(4) 二次配料的粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，球磨6?12小时,烘干后外加质量百分比为6?10%的石腊作为粘合剂造粒,过80目筛,用粉末压片机压制成坯体；
[0016](6)将步骤(5)的坯体于950?1100°C烧结，保温2?6小时，制成低温烧结高Q值NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷；
[0017](7)通过网络分析仪测试制品的微波特性。
[0018]所述步骤(I)的原料为分析纯原料。
[0019]所述步骤(5)的还体为Φ 1mmX 5mm的圆柱形还体。
[0020]所述步骤(5)的粉末压片机的压强为4?6Mpa。
[0021]所述步骤(5)烧结温度为1000°C。
[0022]本发明以NdNbO4-系微波介质陶瓷为基础，采用传统固相法，加入0.6wt.%CaT13添加剂有效地提高了品质因数；加入Bi2O3为烧结助剂，成功地将其烧结温度降低至1000。。。
[0023]当烧结温度为1000°C，保温时间4h，Bi203的掺杂量为5wt.%时，介电常数为20.3，谐振频率温度系数为-29.7ppm/°C，品质因数QXf达到最大为52，780GHz。此外，本发明制备工艺简单，过程无污染，改善了其介电性能，降低了烧结温度，是一种具有前途的微波介质材料。
【具体实施方式】
[0024]本发明采用的原料Nd203、Nb205、CaTi0jPBi203均为分析纯原料，纯度大于99.9%，具体实施例如下:
[0025]实施例1
[0026](I)将 Nd203、Nb2O5 按摩尔比 Nd2O3 =Nb2O5 =1:1 配置成主粉体。
[0027](2)将主粉体的混合粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨6小时，再将球磨后的原料在110°C干燥箱里烘干，烘干后将原料过40目筛。
[0028](3)将过完筛的粉料在950°C下预烧3小时，并在此温度下保温4小时。
[0029](4)称取预烧后的粉料20g，外加0.6wt.% CaT13和5.0wt % Bi2O3, 二次配料。
[0030](5)将上述二次配料所得粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，球磨8小时，烘干后再外加质量百分比为8%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛，用粉末压片机以6MPa的压强下压成Φ 1mmX 5mm的圆柱形还体。
[0031](6)将圆柱形坯体于1000°C烧结，保温4小时，制成低温烧结高Q值NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷。
[0032](7)通过网络分析仪测试制品的微波特性:介电常数为20.3，品质因数QXf为52，780GHz，谐振频率温度系数为-29.7ppm/°C。
[0033]实施例2
[0034](I)将 Nd203、Nb2O5 按摩尔比 Nd2O3 =Nb2O5 =1:1 配置成主粉体。
[0035](2)将主粉体的混合粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨6小时，再将球磨后的原料在110°C干燥箱里烘干，烘干后将原料过40目筛。
[0036](3)将过完筛的粉料在950°C下预烧3小时，并在此温度下保温4小时。
[0037](4)称取预烧后的粉料20g，外加0.6wt.% CaT13和0.2wt% Bi2O3, 二次配料。
[0038](5)将上述二次配料所得粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，球磨12小时，烘干后再外加质量百分比为8%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛，用粉末压片机以6MPa的压强下压成Φ 1mmX 5mm的圆柱形还体。
[0039](6)将圆柱形坯体于1100°C烧结，保温4小时，制成低温烧结高Q值NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷。
[0040](7)通过网络分析仪测试制品的微波特性:介电常数为21.2，品质因数QXf为38，696GHz，谐振频率温度系数为-28.3ppm/°C。
[0041]实施例3
[0042](I)将 Nd203、Nb2O5 按摩尔比 Nd2O3 =Nb2O5 =1:1 配置成主粉体。
[0043](2)将主粉体的混合粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨6小时，再将球磨后的原料在110°C干燥箱里烘干，烘干后将原料过40目筛。
[0044](3)将过完筛的粉料在950°C下预烧3小时，并在此温度下保温4小时。
[0045](4)称取预烧后的粉料20g，外加0.6wt.% CaT13和2.0wt % Bi2O3, 二次配料。
[0046](5)将上述二次配料所得粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，球磨10小时，烘干后再外加质量百分比为8%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛，用粉末压片机以6MPa的压强下压成Φ 1mmX 5mm的圆柱形还体。
[0047](6)将圆柱形坯体于1050°C烧结，保温4小时，制成低温烧结高Q值NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷。
[0048](7)通过网络分析仪测试制品的微波特性:介电常数为20.6，品质因数QXf为42，382GHz，谐振频率温度系数为-28.9ppm/°C。
[0049]实施例4
[0050](I)将 Nd203、Nb2O5 按摩尔比 Nd2O3 =Nb2O5 =1:1 配置成主粉体。
[0051](2)将主粉体的混合粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，在行星式球磨机上球磨6小时，再将球磨后的原料在110°C干燥箱里烘干，烘干后将原料过40目筛。
[0052](3)将过完筛的粉料在950°C下预烧3小时，并在此温度下保温4小时。
[0053](4)称取预烧后的粉料20g，外加0.6wt.% CaT13和8.0wt % Bi2O3, 二次配料。
[0054](5)将上述二次配料所得粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，球磨6小时，烘干后再外加质量百分比为8%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛，用粉末压片机以6MPa的压强下压成Φ 1mmX 5mm的圆柱形还体。
[0055](6)将圆柱形坯体于950°C烧结，保温4小时，制成低温烧结高Q值NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷。
[0056](7)通过网络分析仪测试制品的微波特性:介电常数为18.2，品质因数QXf为39，238GHz，谐振频率温度系数为-33.2ppm/°C。
【权利要求】
1.一种低温烧结NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷，其组成为NdNbO4-0.6wt.%CaTi03-mwt.% Bi2O3，其中，0.2 彡 m 彡 8 ; 该低温烧结NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷的制备方法，具有以下步骤: (1)将化学原料Nd2O3和Nb2O5按照NdNbO4化学式称量配料； (2)将步骤(I)的混合粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，球磨6小时；再将球磨后的原料于110°C烘干，过40目筛，获得颗粒均匀的粉料； (3)将步骤(2)的过筛后的粉料于950°C预烧3小时，并在此温度下保温4小时； (4)向步骤(3)的预烧后的陶瓷粉料中外加0.6wt.% CaT13,并外加0.2?8wt%的低熔点烧结助剂Bi2O3, 二次配料。 (5)将步骤(4)二次配料的粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球，球磨6?12小时，烘干后外加质量百分比为6?10%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛，用粉末压片机压制成坯体； (6)将步骤(5)的坯体于950?1100°C烧结，保温2?6小时，制成低温烧结高Q值NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷； (7)通过网络分析仪测试制品的微波特性。
2.根据权利要求1所述的低温烧结NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤(I)的原料为分析纯原料。
3.根据权利要求1所述的低温烧结NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤(5)的还体为Φ 1mmX 5mm的圆柱形还体。
4.根据权利要求1所述的低温烧结NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤(5)的粉末压片机的压强为4?6Mpa。
5.根据权利要求1所述的低温烧结NdNbO4-CaT13系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤(5)烧结温度为1000°C。
【文档编号】C04B35/63GK104402437SQ201410484068
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】张平, 赵永贵, 宋振坤 申请人:天津大学