高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其原料组分及摩尔百分比含量为，Nd2O3 50％，Nb2O5 50％，外加重量百分比含量1-7％的CaF2。通过固相法，先将Nd2O3、Nb2O5原料按照摩尔比1∶1的比例进行配料，再经球磨、烘干、煅烧、加入CaF2、造粒，于1200～1325℃烧结。当烧结温度为1225℃，保温时间4h，CaF2的掺杂量为2wt.％时，其介电常数为20.1，谐振频率温度系数为-19.6ppm/℃，品质因数达到75 000GHz。本发明广泛用于电容器和光电子器件的制造。

权利要求

1.一种高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其原料组分及摩尔百分比含量为，Nd2O350%，Nb2O550%，外加重量百分比含量1-7%的CaF2；

该高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷的制备方法，具有如下步骤：

⑴将Nd2O3、Nb2O5原料按照摩尔比1:1的比例进行配料，按照重量百分比，用料：去离子水：磨球=1：7：7的比例加入聚酯罐中，在球磨机上球磨4～6小时；

⑵将步骤⑴球磨后的原料置于干燥箱中于80～130℃烘干，烘干后过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

⑶将步骤⑵混合均匀的粉料在900～1100℃煅烧4小时；

⑷在步骤⑶煅烧后的陶瓷粉料中加入重量百分比为1-7%的CaF2，然后放入聚酯罐中，加入去离子水和锆球后，在球磨机上球磨12～24小时；在烘干后在陶瓷粉料中外加重量百分比为6～10%的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，再用粉末压片机压力成型，再将生坯于1200～1325℃烧结，保温2～6小时，制得微波介质陶瓷；

⑸测试微波介质陶瓷的微波介电性能。

2.根据权利要求1的高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤⑴的Nd2O3、Nb2O5原料的纯度大于99.9%。

3.根据权利要求1的高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤⑴和步骤⑷的球磨机为行星式球磨机。

4.根据权利要求1的高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤⑷的压片机的工作压强为4MPa，生坯规格为Φ10mm×5mm的圆柱体。

5.根据权利要求1的高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤⑸是通过网络分析仪测试微波介质陶瓷的微波介电性能。

6.根据权利要求1的高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤⑶优选的预烧温度为900℃。

7.根据权利要求1的高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤⑷优选的CaF2加入量为2%。

8.根据权利要求1的高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其特征在于，所述步骤⑷优选的烧结温度为1225℃，保温4小时。

说明书

高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种高品质因数(Q值)铌酸钕系微波介质陶瓷及其制备方法。

背景技术

[0002] 微波介质陶瓷为现代移动通讯、卫星通讯和军用雷达所用谐振器、滤波器、介质基板等微波元器件的关键材料。随着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。因此追求高品质因数、高介电常数、近零或可调温度系数以及低的烧结温度为当前微波介质陶瓷材料的研究热点。

[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。这一体系材料原来是用于制作多层陶瓷电容器的，后来J.Cato等人研究它们在微波频率下的介电特性，结果发现这类材料在微波频率下具有较高的介电常数和Q值，而且谐振频率温度系数接近于零。近年来无铅化成为陶瓷材料研究的热点之一，而铌酸盐陶瓷成为无铅化陶瓷研究的重点之一。稀土铌酸盐(LnNbO4)是一系列结构、相变特性和物理性质类似的微波介质材料，其中的Ln包括La至Lu的全部稀土元素。当Ln被Nd替代时即为铌酸钕(NdNbO4)陶瓷。研究表明，铌酸钕陶瓷属于类钙钛矿白钨矿结构，具有适当的介电常数εr(19.6)，近零的谐振频率温度系数τf(-24ppm/℃)，但品质因数Q×f较低(33 000GHz)，且烧结温度为1250℃。因此，较低的品质因数是制约铌酸钕陶瓷应用关键所在。但目前对其制备方法和改性的研究还未见专门报道。本发明采用传统固相法，以CaF2为助熔剂，在较低烧结温度下，制备了铌酸钕微波介质陶瓷，在介电常数和谐振频率温度系数基本保持不变的同时，大幅提高了铌酸钕系陶瓷的品质因数。

发明内容

[0004] 本发明的目的是以Nd2O3、Nb2O5为主要原料，并加入适量的CaF2作为助熔剂，克服目前的品质因数Q×f较低的缺陷，通过固相法制备具有高品质因数的铌酸钕系微波介质陶瓷。

[0005] 本发明通过如下技术方案予以实现。

[0006] 本发明一种高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷，其原料组分及摩尔百分比含量为，Nd2O3 50％，Nb2O5 50％，外加重量百分比含量1-7％的CaF2。

[0007] 本发明高品质因数铌酸钕系微波介质陶瓷的制备方法，具有如下步骤：

[0008] (1)将Nd2O3、Nb2O5原料按照摩尔比1∶1的比例进行配料，按照重量百分比，用料∶去离子水∶磨球＝1∶7∶7的比例加入聚酯罐中，在球磨机上球磨4～6小时；

[0009] (2)将步骤(1)球磨后的原料置于干燥箱中于80～130℃烘干，烘干后过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

[0010] (3)将步骤(2)混合均匀的粉料在900～1100℃煅烧4小时；

[0011] (4)在步骤(3)煅烧后的陶瓷粉料中加入重量百分比为1-7％的CaF2，然后放入聚酯罐中，加入去离子水和锆球后，在球磨机上球磨12～24小时；在烘干后在陶瓷粉料中外加重量百分比为6～10％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，再用粉末压片机压力成型，再将生坯于1200～1325℃烧结2～6小时，制得微波介质陶瓷；

[0012] (5)测试制得的微波介质陶瓷的微波介电性能。

[0013] 所述步骤(1)的Nd2O3、Nb2O5原料的纯度大于99.9％。

[0014] 所述步骤(1)和步骤(4)的球磨机为行星式球磨机。

[0015] 所述步骤(4)的压片机的工作压强为4MPa，生坯规格为Φ10mm×5mm的圆柱体。

[0016] 所述步骤(5)是通过网络分析仪测试微波介质陶瓷的微波介电性能。

[0017] 所述步骤(3)优选的预烧温度为900℃。

[0018] 所述步骤(4)优选的CaF2加入量为2％。

[0019] 所述步骤(4)优选的烧结温度为1225℃，保温4小时。

[0020] 本发明由于采用了CaF2作为助熔剂，制备的NdNbO4陶瓷，其中生成了有益的第二相CaNb2O6，与现有的未加入CaF2助熔剂的制备方法相比，在更低的烧结温度下，陶瓷的体积密度明显增加。当烧结温度为1225℃，保温时间4h，CaF2的掺杂量为2wt.％时，介电常数为20.1，谐振频率温度系数为-19.6ppm/℃，品质因数达到最大为75 000GHz。

具体实施方式

[0021] 本发明采用纯度大于99.9％的化学原料Nd2O3、Nb2O5、CaF2制备NdNbO4微波介质陶瓷。

[0022] 本发明先将Nd2O3、Nb2O5按照摩尔比1∶1称量配料，混合后将原料加入尼龙罐中，球磨4～6小时；将球磨后的原料置于红外干燥箱中于80～130℃烘干，过40目筛，再于900～1100℃煅烧4小时；再将煅烧后的陶瓷粉料中加入重量百分比为1-7％的CaF2，放入球磨罐中，加入氧化锆球和去离子水球磨12～24小时后烘干；再在烘干后的陶瓷粉料中外加重量百分含量为6～10的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛后，用粉末压片机于4MPa的压力下将粉末压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯；将生坯在1200～1325℃烧结，保温
2～6小时，制得微波介质陶瓷；最后通过网络分析仪及相关测试夹具测试制品的微波介电性能。

[0023] 本发明具体实施例如下。

[0024] 实施例1：

[0025] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于1100℃煅烧4小时，再称取重量百分比为2％的CaF2 0.4g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1200℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0026] 实施例2：

[0027] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于1000℃煅烧4小时，再称取重量百分比为2.5％的CaF2 0.5g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1300℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0028] 实施例3：

[0029] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于900℃煅烧4小时，再称取重量百分比为2％的CaF2 0.4g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1200℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0030] 实施例4：

[0031] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于900℃煅烧4小时，再称取重量百分比为2％的CaF20.4g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1225℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0032] 实施例5：

[0033] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于900℃煅烧4小时，再称取重量百分比为2％的CaF20.4g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1250℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0034] 实施例6：

[0035] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于900℃煅烧4小时，再称取重量百分比为2％的CaF20.4g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1300℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0036] 实施例7：

[0037] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于900℃煅烧4小时，再称取重量百分比为2％的CaF2 0.4g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1325℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0038] 实施例8：

[0039] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于900℃煅烧4小时，再称取重量百分比为1％的CaF20.2g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1225℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0040] 实施例9：

[0041] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于900℃煅烧4小时，再称取重量百分比为3％的CaF2 0.6g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1225℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0042] 实施例10：

[0043] 依照微波介质陶瓷组分NdNbO4，称取Nd2O311.17g、Nb2O58.83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，转速为1000转/分，出料后置于干燥箱中120℃烘干并过40目筛，将粉料于900℃煅烧4小时，再称取重量百分比为7％的CaF21.4g与粉料混合后二次球磨24小时，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比为8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛，再用粉末压片机以4MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的生坯，将生坯在1225℃烧结，保温4小时，制得微波介质陶瓷，测量样品的微波介电性能。

[0044] 本发明实施例的各项关键参数及介电性能检测结果详见表1。

[0045] 表1

[0046]