一种低温烧结的复合微波介质陶瓷及其制备方法

摘要

本发明公开了属于微波介质材料制造技术领域，特别涉及以氧化物为基础的复相陶瓷化合物的一种低烧结温度的复合微波介质陶瓷及其制备方法。该低烧结温度的复合微波介质陶瓷由Ba、Nb、W的氧化物为基础复合而成，是具有较高品质因数、接近零温度系数的微波介质陶瓷，其化学表达式为：xBaO-yNb2O5-zWO3+mA；Ba、Nb、W的氧化物按xBaO-yNb2O5-zWO3中以重量份数比配料，然后加入助烧剂A，低烧成温度烧结成致密的微波介质陶瓷。本发明所提供的微波介质陶瓷属于低温烧结低介电常数的微波介质陶瓷材料，微波介质陶瓷应用于微波和毫米波器件的多层介质谐振器、滤波器、双工器和天线的制作有着很大的应用价值。

权利要求

1.一种低烧结温度的复合微波介质陶瓷，其特征在于，所述低烧结温度的复合微波介质陶瓷由Ba、Nb、W的氧化物为基础复合而成，其化学表达式为：xBaO-yNb2O5-zWO3+mA；Ba、Nb、W的氧化物按xBaO-yNb2O5-zWO3中以重量份数比配料，然后加入助烧剂A为H3BO3、ZnO和V2O5中的至少一种，低烧成温度烧结成致密的微波介质陶瓷；其中x＝33-40，y＝14-18，z＝46-49，m＝0.3-1。

2.一种如权利要求1所述的低烧结温度的复合微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，该方法的制备步骤如下：

1)以纯度99％的BaCO3、Nb2O5、WO3为起始原料，按化学表达式xBaO-yNb2O5-zWO3的质量比准备原料；

2)将原料以去离子水为介质湿磨混合，烘干制成混合粉料；

3)将混合粉料在1000℃煅烧，保温2-5小时；

4)在上述粉料中加入m＝0.3-1的助烧剂A，再经过以去离子水为介质湿磨、烘干；

5)加入浓度为3％或5％的聚乙烯醇水溶液，加入量占粉末总重量的5-15％，然后，于150-200MPa，压制成型；

6)在温度900-1000℃高温炉中煅烧2-4小时，制成化学表达式为xBaO-yNb2O5-zWO3+mA的微波介质陶瓷。 

说明书

技术领域

本发明属于微波介质材料制造技术领域，特别涉及以氧化物为基础特征的复相陶瓷化合物的一种低烧结温度的复合微波介质陶瓷及其制备方法。

背景技术

微波介质陶瓷是微波器件的核心材料。最近十几年来，由于微波技术设备向小型化与集成化，尤其是向民用的大产量、低价格化方向迅速发展，目前已经开发出了一大批适用于各种微波频段的微波介质陶瓷材料。应用于微波电路的介质陶瓷，应满足如下介电特征的要求：(1)高的相对介电常数εr以减小器件尺寸；(2)高的品质因数Q以降低噪音，一般要求Q×f≥3000GHz；(3)接近零的频率温度系数τf以保证器件的温度稳定性。近年来，随着低温共烧陶瓷技术(LowTemperature 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，目前对这一领域材料的研发仍在积极的开展之中。但是，对于用于低烧微波介质陶瓷的体系仍然比较有限，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。
在低介电常数微波介质陶瓷中(εr～20)，Mg0.95Ca0.95TiO3是目前应用最广泛的陶瓷材料，它具有较高的品质因数(Q×f＝56000GHz)，以及良好的温度稳定性(τf＝-3ppm/℃)，但是其烧结温度却很高(1400-1450℃)，这在很大程度上限制了其在LTCC领域的应用。目前国际上对这类低介电常数的材料的研发正在积极的开展之中。如《合金化合物杂志》(Journal of Alloys and Compounds)在2008年1月的一篇文章《ZnO对0.95MgTiO3-0.05CaTiO3陶瓷烧结特性和微波性能的影响》(Effect of ZnO additive on sintering behavior and microwavedielectric properties of 0.95MgTiO3-0.05CaTiO3 ceramics)用ZnO使其烧结温度降低到1300℃，但是温度依然很高。目前尚未见到过烧结温度在900℃附近，介电常数约为20，并具有高品质因数的材料的报道。

发明内容

本发明的目的是克服介电常数在20附近的介质陶瓷烧结温度偏高以及在低温烧结时性能不好的缺点，提出一种低烧结温度的复合微波介质陶瓷及其制备方法，其特征在于，所述低烧结温度的复合微波介质陶瓷由Ba、Nb、W的氧化物为基础复合而成，其化学表达式为：xBaO-yNb2O5-zWO3+mA；Ba、Nb、W的氧化物按xBaO-yNb2O5-zWO3中以重量份数比配料，然后加入助烧剂A，低烧成温度烧结成致密的微波介质陶瓷。其中x＝33-40，y＝14-18，z＝46-49，m＝0.3-1，其中A为H3BO3、ZnO、V2O5中的至少一种。
所述复合微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，该方法的制备步骤如下：
1)以纯度99％的BaCO3、Nb2O5、WO3为起始原料，按化学表达式xBaO-yNb2O5-zWO3的质量比准备原料；
2)将原料以去离子水为介质湿磨混合，烘干制成混合粉料；
3)将混合粉料在1000℃煅烧，保温2-5小时；
4)在上述粉料中加入m＝0.3-1的助烧剂，再以去离子水为介质湿磨、烘干；
5)加入浓度为3％或5％的聚乙烯醇(PVA)水溶液，加入量占粉末总重量的5-15％，然后，于150-200MPa，压制成型；
6)在温度900-1000℃高温炉中煅烧2-4小时，制成xBaO-yNb2O5-zWO3+mA的微波介质陶瓷。
本发明制备的陶瓷材料具有如下特征：其介电常数为16-20，具有较高的品质因数(30,000-50,600GHz)，谐振频率温度系数小且在-10～0ppm/℃范围内连续可调，以及低烧成温度(900～1000℃)。在900℃附近该样品能够烧结致密。本发明所提供的微波介质陶瓷属于低温烧结低介电常数的微波介质陶瓷材料，目前国际上此类材料还比较少见，因此，本发明的微波介质陶瓷为多层介质谐振器、滤波器、双工器和天线等微波和毫米波器件的设计制造提供了更多的选择可能，在工业上有着很大的应用价值。

附图说明

图1为低温烧结微波介质陶瓷材料的SEM图。

具体实施方式

本发明提出一种低烧结温度的复合微波介质陶瓷及其制备方法。所述低烧结温度的复合微波介质陶瓷由Ba、Nb、W的氧化物复合而成采用固相反应法制备低温烧结的高品质因数和温度稳定性好的低介电常数微波介质陶瓷。
以纯度99％的BaCO3，Nb2O5，WO3为起始原料，经以去离子水为介质湿磨混合，烘干制成混合粉料，在1000℃煅烧，保温2-5小时，往上述粉料中加入m＝0.3-1的助烧剂，再经过以去离子水为介质湿磨、烘干后，加入浓度为3％或5％的聚乙烯醇(PVA)水溶液，加入量占粉末总重量的5-15％，然后，于150-200MPa，压制成型，在温度900～1000℃高温炉中烧成，制成微波介质陶瓷。可用于制造微波/毫米波段的多层介质谐振器、滤波器等微波器件。
具体实施例如下：
表1  微波介质陶瓷组成(按重量份数)

表2  微波介质陶瓷在11GHz下的介电性能
  组成   烧结温度(℃)   εr   Q×f(GHz)   τf(ppm/℃)   1   900   16.8   50300   -6.4   1   950   16.7   50600   -7.3   1   1000   16.9   50400   -5.7   2   900   19.0   36500   -3.4   2   950   18.7   39800   -0.7   2   1000   18.2   38000   -2.5   3   900   19.2   36000   -6.3   3   950   19.0   36500   -3.4   3   1000   19.0   30300   -6.0
  4   900   19.5   30800   -4.0   4   950   19.8   35300   -3.6   4   1000   19.6   38400   -3.2   5   900   19.5   31600   -4.5   5   950   19.8   34600   -3.8   6   900   19.6   30500   -5.0   6   950   19.7   31400   -5.6
其介电常数为16-20，具有较高的品质因数(30,000-50,600GHz)，谐振频率温度系数小且在-10～0ppm/℃范围内连续可调，以及低烧成温度(900～1000℃)。在900℃附近该样品能够烧结致密(见图1)。
本发明可广泛用于各种介质谐振器、多层滤波器、介质天线等各种多层微波器件的制造，可满足移动通信、卫星通信等系统的技术要求，增加了低介电常数的低温烧结微波介质陶瓷材料的种类。