一种超低介电常数微波介电陶瓷及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种可低温烧结的超低介电常数微波介电陶瓷Ca5V3O12F及其制备方法。（1）将纯度为99.9%（重量百分比）以上的CaF2、CaCO3和V2O5的原始粉末按Ca5V3O12F的组成称量配料；（2）将步骤（1）原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为蒸馏水，烘干后在850℃大气气氛中预烧6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900~930℃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%。本发明制备的陶瓷在900~930℃烧结良好，介电常数达到9.7～10.4，其品质因数Qf值高达66400-72100GHz，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】一种超低介电常数微波介电陶瓷及其制备方法
【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] 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 ε ^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tan δ 以降低噪音，一般要求Qf彡3000 GHz; (3)谐振频率的温度系数^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，<+]_〇 ppm/°c。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^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L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Al203-Ti0 2、Y2BaCu05、MgAl2O4和 Mg2SiO4等，其20,品质因数QXf 3 50000GHz，10 ppm/° C。主要用于微波基 板以及高端微波元器件。
[0005] (2)低ε r和高Q值的微波介电陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta2O5, BaO-ZnO-Ta2O5或 BaO-MgO-Nb2O5, BaO-ZnO-Nb2O5系统或它们之间的复合系统MWDC材料。其ε ^20?35， Q=(l?2) X 104(在f彡10 GHz下），τ , ^ 〇。主要应用于f彡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L和Q值的微波介电陶瓷，主要是以BaTi409、Ba2Ti 9O2tl和（Zr、Sn) TiO4 等为基的MWDC材料，其= 35?45, Q= (6?9) XlO3 (在f=3?一4GHz下)，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L而Q值较低的微波介电陶瓷，主要用于0.8?4GHz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 - Ln2O3 - TiO2系列（Ln=La、Sm、Nd或Pr等，简称BLT系）、 复合f丐钦矿结构CaO -Li2O一Ln2O3一TiO2系列、铅基系列材料、CahLn 2xjZ3TiO3系等商ε ^微 波介电陶瓷，其中BLT体系的BaO - Nd2O3 - TiO2材料介电常数达到90,铅基系列（Pb, Ca) ZrO3介电常数达到105。
[0008] 以上这些材料体系的烧结温度一般高于1300° C，不能直接与Ag和Cu等低 烙点金属共烧形成多层陶瓷电容器。近年来，随着低温共烧陶瓷技术（Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)的发展和微波多层器件发展的要求，国内外的研究人员对一些 低烧体系材料进行了广泛的探索和研究，主要是采用微晶玻璃或玻璃-陶瓷复合材料体 系，因低熔点玻璃相具有相对较高的介质损耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介质损耗。 因此研制无玻璃相的低烧微波介质陶瓷材料是当前研究的重点。
[0009] 在探索与开发新型可低烧微波介电陶瓷材料的过程中，固有烧结温度低的Li基 化合物、Bi基化合物、钨酸盐体系化合物和碲酸盐体系化合物等材料体系得到了广泛关注 与研究，但是由于微波介电陶瓷的三个性能指标（L与Q*f和τρ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，这在很大程度上限制了低温共烧技 术及微波多层器件的发展。探索与开发既能低温烧结同时具有近零谐振频率温度系数与较 高品质因数的超低介电常数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。
[0010] 我们对组成Ba5V3O12F'Ca 5V3O12F'Sr5V3O 12F'以及Mg5V3O12F的系列化合物进行了微波 介电性能的研究，发现它们的烧结温度都低于960°C，Ca5V3012F、Ba 5V3O12F与Mg5V3O 12F介电 常数只有7至11，属于超低介电常数微波介电陶瓷，但只有Ca5V3O12F具有近零谐振频率温 度系数与高品质因数，Ba 5V3O12F与Mg5V3O 12F陶瓷的谐振频率温度系数偏大（τ /分别为-76 ppm/°C和-42 ppm/°C)。Sr5V3O12F的介电损耗太大而无法作为微波介电陶瓷。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提供一种具有良好的热稳定性与低损耗，同时可低温烧结的超低 介电常数微波介电陶瓷材料及其制备方法。
[0012] 本发明的微波介电陶瓷材料的化学组成为Ca5V30 12F。
[0013] 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CaF2、CaCO3和V2O5的原始粉末按Ca 5V3O12F 的组成称量配料。
[0014] (2)将步骤（1)原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为蒸馏水，烘干后在850°C大 气气氛中预烧6小时。
[0015] (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 90(T93(TC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 烯醇添加量占粉末总质量的3%。
[0016] 本发明的优点=Ca5V3O12F陶瓷烧结温度低，原料成本低；介电常数达到9. 7? 10. 4,其谐振频率的温度系数^小，温度稳定性好；品质因数Qf值高达66400-72100GHZ， 可广泛用于各种介质谐振器和滤波器等微波器件的制造，可满足低温共烧技术及微波多层 器件的技术需要，在工业上有着极大的应用价值。
【具体实施方式】
[0017] 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。
[0018] 本陶瓷可广泛用于各种介质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。
[0019] 表1:
【权利要求】
1. 一种具备近零谐振频率温度系数与高品质因数的超低介电常数微波介电陶瓷及其 制备方法，其特征在于所述微波介电陶瓷的化学组成为：Ca5V3O12F; 所述微波介电陶瓷的制备方法具体步骤为： (1) 将纯度为99. 9% (重量百分比）以上的CaF2、CaCO3和V2O5的原始粉末按Ca 5V3O12F 的组成称量配料； (2) 将步骤（1)原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为蒸馏水，烘干后在850°C大气气 氛中预烧6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90(T930°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，聚乙烯醇添加量 占粉末总质量的3%。
【文档编号】C04B35/495GK104311021SQ201410537383
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】苏聪学, 王全超, 覃杏柳 申请人:桂林理工大学