一种镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷及制备方法与流程

本发明属于微波介质陶瓷材料，具体涉及一种镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷及制备方法。

背景技术：

1、微波介质陶瓷是指应用在微波频段电路中作为电介质完成一种或多种功能的陶瓷材料，因其具有重量轻、损耗低、稳定性高的特点被作为介质谐振器、滤波器的关键功能材料。近年来，随着5g/6g通信技术、物联网(iot)、全球定位系统(gps)等新兴无线通信技术的快速发展，人们日常生活和工作对无线通信技术提出了更高的要求。由于低频波段的信道资源拥挤，高频波段信道资源丰富且信号传输体量大速度快，无线通信技术向着5g/6g高频段扩展。目前，线上办公学习成为主流常态。海量的终端连接和爆发式的数据吞吐量导致了通信技术的更新迭代更快更高效。作为基站中信号传输器件的关键材料，微波介电陶瓷起到尤为关键的作用，因此相关性能研究工作也变得尤为重要。

2、在毫米波段及太赫兹频段通信中，微波元器件的小型化将不再是重点被关注的问题，这是由于器件的尺寸与通信波长的整数倍相比拟，当信号波长达到了毫米量级也就意味着器件的尺寸达到了毫米量级。而信号的延迟时间才是限制通信发展的首要问题，为了得到较低的信号延时，达到信号的高速传输，低介微波介质陶瓷成为了科研人员关注的焦点。在众多的低介微波介质陶瓷中，磷酸盐陶瓷体系具有优异的微波介电性能且环境友好，符合5g/6g高频通信的要求。其晶体中有特殊的[po4]四面体结构，p-o键是属于共价键具有较强的键合，难以被磁场极化，这是导致磷酸盐陶瓷具有较低介电常数的原因之一。

3、mg3(po4)2陶瓷具有较低的介电常数(εr＝4.9)优异的品质因数(qf＝31,000ghz)在高频通信领域有巨大的应用潜力，但与此同时其具有较高的烧结温度(1150℃)，这限制了其在实际器件中的应用。另外影响微波介电性能的本征因素尚不明确，相关研究多采用半经验式的公式，难以发挥理论指导的作用。基于p-v-l理论对mg3(po4)2陶瓷的化学键参数分析知，p-o键对晶格能的贡献高达78.5％，其数值为mg-o键和ca-o键总和的3.65倍，而晶格能又是表征离子间结合力的物理量，其数值的大小显著影响着mg3(po4)2陶瓷的晶格振动，紧密联系着其品质因数，因此对其mg位进行离子取代势必是改善陶瓷品质因数的可靠途径，并且此工作在现有技术内还处于空白，综上所述，mg3(po4)2陶瓷mg位的离子掺杂调控是十分有意义的工作。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的缺陷，通过过渡族金属离子ni部分取代mg研究(mg1-xnix)3(po4)2陶瓷的微波介电性能变化，提供一种ni离子掺杂调控低介磷酸盐微波介质陶瓷及制备方法。

2、具体技术方案为，所制备的陶瓷表达式为(mg1-xnix)3(po4)2，其中0.02≤x≤0.08，x代表摩尔比。晶体结构属于单斜晶系p21/n(no.14)空间群，烧结温度为980-1010℃，相对介电常数εr＝4.91-5.11，品质因数qf＝124,988-147,323ghz，谐振频率温度系数τf＝-50.80--53.35ppm/℃。

3、一种镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷的制备方法，包括以下制备步骤：

4、(1)按照(mg1-xnix)3(po4)2化学计量比称取药品mgo(纯度98％)、nio(纯度99％)、nh4h2po4

5、(纯度99％)，以zro2磨球作为球磨介质、无水乙醇为分散剂在辊式球磨机上混料24-30

6、小时，球磨后的料浆置于干燥箱中烘干；

7、(2)将步骤(1)中干燥后的粉块物料研磨并过60目筛网，然后将粉料置于刚玉坩埚中进行预烧结，得到预烧陶瓷活性粉体；

8、(3)将预烧陶瓷活性粉体加入zro2磨球和无水乙醇再次进行球磨，球磨时间为24小时，球磨后的料浆置于干燥箱中烘干并过60目筛网；

9、(4)在步骤(3)中过筛后的粉末中加入塑形剂进行造粒，过60目筛网，再将粉料置于钢制

10、模具中，利用压片机纵向加压200mpa，制得直径为10mm，高度为6mm的圆柱形坯体；

11、(5)将步骤(4)得到的坯体置于马弗炉中，在500-600℃进行高温煅烧，保温时间为4-6小时；

12、(6)再将步骤(5)所得坯体置于箱式电阻炉中，空气气氛中烧结980-1010℃，保温2-4小时，

13、自然降至室温即可。

14、进一步的，步骤(1)粉料(mgo、nio、nh4h2po4)、zro2磨球和无水乙醇的质量比为30:500:100。

15、进一步的，步骤(3)预烧陶瓷活性粉体、zro2磨球和无水乙醇的质量比为30:500:100。

16、进一步的，步骤(2)预烧结温度为700-750℃，预烧结时间为2-4小时。

17、进一步的，步骤(4)中塑形剂切片石蜡，塑形剂的加入量为粉末质量的8-12wt.％。

18、有益效果

19、本发明制备得到的ni离子掺杂调控低介磷酸盐微波介质陶瓷具有较低的介电常数(εr＝4.91-5.11)以达到信号的高速传输，通过ni离子对mg3(po4)2陶瓷晶体的mg位进行调控，获得到了单相高品质因数(qf＝124,988-147,323ghz)的磷酸盐微波介质陶瓷以便器件拥有更好的选频特性。同时，本发明可以采用固相反应烧结法制备，工艺简单有效，易于大批产生产，有潜力推广至产业化。

技术特征：

1.一种镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷，其特征在于，所述微波介质陶瓷的化学组成为(mg1-xnix)3(po4)2，其中0.02≤x≤0.08。

2.一种权利要求1所述镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

3.根据权利要求2所述镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)粉料、zro2磨球和无水乙醇的质量比为30:500:100。

4.根据权利要求2所述镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)预烧陶瓷活性粉体、zro2磨球和无水乙醇的质量比为30:500:100。

5.根据权利要求2所述镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)预烧结温度为700-750℃，预烧结时间为2-4小时。

6.根据权利要求2所述镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)中塑形剂切片石蜡，塑形剂的加入量为粉末质量的8-12wt.％。

7.根据权利要求2所述镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述坯体为直径10mm，高度6mm的圆柱形坯体；压片机压片压力为：纵向加压200mpa。

8.根据权利要求2所述镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(5)高温煅烧温度为500-600℃。

技术总结
本发明公开一种镍离子掺杂调控低介磷酸镁微波介质陶瓷及制备方法，属于微波介质陶瓷材料技术领域。本发明微波介质陶瓷的化学组成为(Mg<subgt;1‑x</subgt;Ni<subgt;x</subgt;)<subgt;3</subgt;(PO<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;，其中0.02≤x≤0.08。本发明通过控制Ni元素对Mg元素的摩尔取代量制备了一系列(Mg<subgt;1‑x</subgt;Ni<subgt;x</subgt;)<subgt;3</subgt;(PO<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;低介磷酸盐微波介质材料，显著改善了Mg<subgt;3</subgt;(PO<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;陶瓷的微波介电性能，得到了其介电常数ε<subgt;r</subgt;＝4.91‑5.11，品质因数Qf＝124,988‑147,323GHz，谐振频率温度系数τ<subgt;f</subgt;＝‑50.80‑‑53.35ppm/℃的微波介质陶瓷。本发明提供的微波介质陶瓷满足5G/6G高频通信的要求，且制备工艺简单，具有广阔的市场应用前景。

技术研发人员：陈月光,李勃,王士娇,吴海涛,张力
受保护的技术使用者：山东同方鲁颖电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15