一种近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料及其制备方法

本发明涉及一种微波介质陶瓷材料及其制备方法，特别是涉及一种近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、微波介质陶瓷是一种电子陶瓷材料，在微波频率范围内表现出良好的介电性能，被广泛应用于卫星通信、雷达通信等领域中。然而，传统的微波介质陶瓷材料普遍存在性能不足的问题，难以满足5g通信快速发展对微波元器件的应用需求。因此，开发具有低成本高性能的微波介质陶瓷材料逐渐成为研究热点。

2、黑滑石作为一种天然矿物，在我国有着较为丰富的储量，凭借其优异的物理、化学性质被广泛应用于建筑、化工、冶金等领域中。黑滑石的矿物组成中含有大量的mg、si成分，且杂质元素含量极低，与低介电常数微波介质陶瓷材料体系mg2sio4的结构组成相接近。现有技术中通过mgo复配的方法成功制备了黑滑石质mg2sio4基微波介质陶瓷材料（申请号为202211507934.5的中国专利），这类陶瓷材料具备低的相对介电常数和高的品质因数，但存在谐振频率温度系数（温漂）过大的性能缺陷，导致其应用场景受到一定的限制。

3、一般而言，调节mg2sio4负谐振频率温度系数的方法是添加一定比例的正温度系数材料，例如catio3、li2tio3等，这些材料往往具备极高的相对介电常数和谐振频率温度系数，添加正温度系数材料虽然会调节谐振频率温度系数至近零，但材料的品质因数会下降很多，相对介电常数变高，导致制作的元器件接收信号速度和效果都会变差。因此，如何调节温漂近零的同时保证其他微波介电性能不流失是一个重要的研究内容，也是开发低成本高性能黑滑石质mg2sio4基微波介质陶瓷材料的核心问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料及其制备方法，解决黑滑石矿质微波介质材料存在的谐振频率温度系数过大的问题。

2、本发明技术方案是这样的：一种近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料，由以下组分按质量百分比烧结制成：51~57%黑滑石，34~37%氧化镁，2~6%碳酸钙，1~2.5%碳酸锶，2~6%二氧化钛，0.5~2%氟化镁，所述黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的主晶相是硅酸镁mg2sio4和钛酸锶钙ca0.8sr0.2tio3。

3、各组分烧制时的反应为mg3(si4o10)(oh)2（黑滑石）+5mgo→4mg2sio4+h2o，0.8caco3+0.2srco3+tio2→ca0.8sr0.2tio3+co2。

4、进一步地，所述黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的相对介电常数为8.24~9.21，品质因数为39222~50626ghz，谐振频率温度系数为-2~-14ppm/℃。

5、进一步地，所述黑滑石为黑滑石矿精选产生的细颗粒粉体，所述黑滑石的粒径范围为48～74μm，所述氧化镁、碳酸钙、碳酸锶、二氧化钛、氟化镁粉末均为分析纯粉末，所述氟化镁粉末粒径范围是300～500nm。

6、本发明的另一技术方案为：一种近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

7、步骤s1、将黑滑石矿石进行预处理，破碎、煅烧和过筛后获得黑滑石粉末；

8、步骤s2、通过干法球磨的方式将氧化镁粉末与所述步骤s1中预处理后的黑滑石粉末按所述质量百分比混合均匀，经混合后的粉末进行煅烧；

9、步骤s3、将氟化镁粉末按所述质量百分比与所述步骤s2中煅烧后的粉末混合并加入分散剂后通过湿法球磨的方式混合均匀，经混合后的粉末进行煅烧；

10、步骤s4、将所述步骤s3中煅烧后的粉体取出后，通过湿法球磨的方式将煅烧后粉体与碳酸钙、碳酸锶和二氧化钛粉末混合均匀，烘干后制成坯料，将坯料进行烧结得到陶瓷材料。

11、进一步地，所述步骤s1的预处理过程：将黑滑石矿石进行破碎粉化，使其粒径小于74μm，再将粉体在800～1000℃下煅烧2~4h，最后通过筛分获得粒度48～74μm的粉末。

12、进一步地，所述步骤s2中煅烧是在温度为1000~1200℃保温4~6h后自然冷却到室温，所述步骤s3中煅烧是在温度为400~450℃保温2~4h后自然冷却到室温。

13、进一步地，所述步骤s2中干法球磨的球磨时间为12~18h，转速为300~350r/min，所述步骤s3中湿法球磨的球磨时间为4~6h，转速为200~250r/min。

14、进一步地，所述分散剂为聚丙烯酸钠、正辛醇和聚乙烯醇按质量比45~55：20~30：15~35组成的混合物。

15、进一步地，所述步骤s3中所述分散剂占氟化镁粉末及所述步骤s2中煅烧后的粉末构成的粉体质量比位0.5~2%。

16、进一步地，所述步骤s4中湿法球磨的球磨时间为8~12h，转速为250~300r/min，所述坯料在1200～1400℃烧结4～6h，烧结结束后随炉冷却。

17、本发明与现有技术相比优点在于：

18、1、碳酸钙、碳酸锶、二氧化钛按化学计量比反应合成钛酸锶钙，钛酸锶钙作为正向温漂调节剂，调节黑滑石质微波介质陶瓷材料的温漂至近零，同时降低了陶瓷材料的烧结温度。

19、2、选择纳米氟化镁作为品质因数改性剂，通过粉体均匀混合与低温煅烧相结合的方法，将氟化镁纳米颗粒聚集在硅酸镁微米颗粒表面并相互粘连（见图1），然后与正向温漂调节剂钛酸锶钙混合，实现氟化镁改性剂在硅酸镁和钛酸锶钙两相间的均匀分散，促进陶瓷致密烧结，保证钛酸锶钙的近零温漂调节作用的同时，减少了陶瓷材料品质因数的损失。

20、3、本发明不但实现了黑滑石矿的资源化利用，同时具备了成本低廉，性能可靠的优势，在5g通信基站方面有着潜在的应用价值。

技术特征：

1.一种近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述黑滑石矿质微波介质陶瓷材料由以下组分按质量百分比烧结而成：51~57%黑滑石，34~37%氧化镁，2~6%碳酸钙，1~2.5%碳酸锶，2~6%二氧化钛，0.5~2%氟化镁，所述近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的主晶相是硅酸镁mg2sio4和钛酸锶钙ca0.8sr0.2tio3。

2.根据权利要求1所述近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的相对介电常数为8.24~9.21，品质因数为39222~50626ghz，谐振频率温度系数为-2~-14ppm/℃。

3.根据权利要求1所述近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述黑滑石为黑滑石矿精选产生的细颗粒粉体，粒径范围是48～74μm，所述氧化镁、碳酸钙、碳酸锶、二氧化钛、氟化镁均为分析纯粉末，所述氟化镁粉末粒径范围是300～500nm。

4.一种如权利要求1所述近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1的预处理过程：将黑滑石矿石进行破碎粉化，使其粒径小于74μm，再将粉体在800～1000℃下煅烧2~4h，最后通过筛分获得粒度48～74μm的粉末。

6.根据权利要求4所述近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中煅烧是在温度为1000~1200℃保温4~6h后自然冷却到室温，所述步骤s3中煅烧是在温度为400~450℃保温2~4h后自然冷却到室温。

7.根据权利要求4所述近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中干法球磨的球磨时间为12~18h，转速为300~350r/min，所述步骤s3中湿法球磨的球磨时间为4~6h，转速为200~250r/min。

8.根据权利要求6所述近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酸钠、正辛醇和聚乙烯醇按质量比45~55：20~30：15~35组成的混合物。

9.根据权利要求7所述近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中所述分散剂占氟化镁粉末及所述步骤s2中煅烧后的粉末构成的粉体质量比为0.5~2%。

10.根据权利要求4中所述近零温漂的黑滑石基微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中湿法球磨的球磨时间为8~12h，转速为250~300r/min，所述坯料在1200～1400℃烧结4～6h，烧结结束后随炉冷却。

技术总结
本发明公开了一种近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料。由以下组分按质量百分比制备而成：51~57%黑滑石，34~37%氧化镁，2~6%碳酸钙，1.5~2.5%碳酸锶，2~6%二氧化钛，0.5~1%氟化镁，所述黑滑石矿质微波介质陶瓷材料的主物相硅酸镁和钛酸锶钙。本发明还提供了一种近零温漂黑滑石矿质微波介质陶瓷的制备工艺，其具体步骤为通过氧化镁组分复配黑滑石矿粉制备硅酸镁陶瓷，其次引入纳米氟化镁在低温下包裹硅酸镁粉体颗粒，最后加入碳酸钙、碳酸锶、二氧化钛等实现钛酸锶钙与硅酸镁的两相复合。本发明的近零温漂的黑滑石矿质微波介质陶瓷材料实现了致密烧结，温漂接近于零且减少了品质因数的损失。

技术研发人员：王哲飞,刘子峥,王昕,李俞辉,周旭宇,赵帅宇,余磊
受保护的技术使用者：常熟理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13