一种高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料

摘要

一种高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料，其特征在于，高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料的组分通式为：(1‑m%)Ba1‑zSrzTiO3+m%(Sr1‑xBax)2Al2SiO7，其中，x的取值范围为0≤x≤0.9；z的取值范围为0.4≤z≤0.6；m的取值范围为10wt%≤m%≤90wt%，选用BaCO3、SrCO3、TiO2、SiO2和Al2O3粉体，经配料、球磨、干燥、高温预烧制得混合粉料，压片后经550℃~600℃的温度预烧，再在1200℃~1500℃的温度下烧成。本发明制得的高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料在较宽范围连续可调，且综合性能高。

权利要求

1.一种高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料，其特征在于，高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料的组分的通式为：(1-m%) Ba1-zSrzTiO3+m%(Sr1-xBax)2Al2SiO7，其中，x的取值范围为0≤x≤0.9，z的取值范围为0.4≤z≤0.6，m的取值范围为10wt%≤m%≤90wt%，其制备方法包括如下步骤：（1）选用BaCO3粉体、SrCO3粉体、TiO2粉体、SiO2粉体和Al2O3粉体作为主要原料，按照(1-m%) Ba1-zSrzTiO3+m%(Sr1-xBax)2Al2SiO7中Ba、Sr、Ti、Si和Al的化学计量比配料，将配好的原料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后经1000℃ 1300~℃、2 4 h预烧及研磨后得到混合粉料；

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（2）将（1）中所述的混合粉料加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行20 24小时球~磨，出料烘干后过筛制得混合粉料2；

（3）将（2）中所述混合粉料2外加重量百分比为8% 10%的聚乙烯醇水溶液均匀混合并造~粒，然后在10MPa 100MPa压力下压制成陶瓷生坯片；

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（4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在550℃ 600℃的温度下，保温时间4 10小时排胶处理~ ~后再在1200℃ 1500℃的温度下时间为4 10小时烧结，制得高介电可调的钛酸锶钡基复合~ ~硅铝酸盐陶瓷介质材料。

说明书

一种高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料

技术领域

[0001] 本发明属于电子材料与器件技术领域，具体涉及一种高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料及其制备。

背景技术

[0002] 具有高介电常数、低介电损耗、介电常数非线性可调以及其Curie温度可调的钙钛矿结构钛酸锶钡铁电材料在作为微波可调器件方面（如移相器、滤波器、可变电容器以及延迟线等）得到日益广泛关注，尤其在作为微波移相器方面更是目前研究的热点。但具有高介电常数的BST陶瓷材料很难满足其与激励源内部阻抗匹配和高功率的要求，这大大限制了其在微波可调器件领域的应用。Q值是衡量电感器件的主要参数，Q值是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。钛酸锶钡BST材料的介电常数随外加直流电场的变化而变化，当电压从V(0)变到V(app)时，介电常数将产生一增量Δεr=[εr(0)–εr(app)] ，这个增量与εr(0)的比值的百分数成为可调性，即用Tunability（简写为T）= [εr(0)–εr(app)] /εr(0) × 100% 来表示。而同时施加一特殊频率的光（微波）时将会产生相应的差相移，达到改变相位的目的。具有这种特性的材料成为电光材料。移相器改变相位角的能力主要由可调性来决定，所以高的可调性对于移相器材料来说是非常必要的，因此，如何制备出既具有低介电常数、高Q值，高介电可调特性的材料体系是一个技术难点，陶瓷复合一直以来都是电子陶瓷材料改性最为常用和最为行之有效的手段之一，通过不同质量比的材料复合，以不同程度和不同方式进入晶体材料的晶格结构中，引起材料微观结构的改变，从而有效地调整和改进材料的相关性能。现有技术中，有研究人员采用MgO、MgAl2O6等与不同质量比钛酸锶钡复合，研制得到具有低介电常数、高Q值和一定介电可调特性的陶瓷介质材料体系。同济大学的Xiujian Chou等人对不同量比钛酸锶钡复合钛酸镁进行了系统的研究，获得微波陶瓷介质材料(εr=190, Q=189, T=18.1)。然而，该体系的综合性能还有待于进一步提高。钛酸锶钡复合硅铝酸盐材料的微波介电可调特性研究尚未见相关报道。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷、综合性能高的一种高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料的制备方法，其技术方案为：

[0004] 一种高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料，高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料的组分的通式为：(1-m%) Ba1-zSrzTiO3+m%(Sr1-xBax)2Al2SiO7，其中，x的取值范围为0≤x≤0.9，z的取值范围为0.4≤z≤0.6，m的取值范围为
10wt%≤m%≤90wt%，其制备方法包括如下步骤：

[0005] （1）选用BaCO3粉体、SrCO3粉体、TiO2粉体、SiO2粉体和Al2O3 粉体作为主要原料，按照(1-m%) Ba1-zSrzTiO3+m%(Sr1-xBax)2Al2SiO7 中Ba、Sr、Ti、Si和Al的化学计量比配料，将配好的原料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后经1000℃~1300℃、2 4 h预烧及研磨后得到混合粉料；
~

[0006] （2）将（1）中所述的混合粉料加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行20 24小时~球磨，出料烘干后过筛制得混合粉料2；

[0007] （3）将（2）中所述混合粉料2外加重量百分比为8% 10%的聚乙烯醇水溶液均匀混合~并造粒，然后在10MPa 100MPa压力下压制成陶瓷生坯片；
~

[0008] （4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在550℃ 600℃的温度下，保温时间4 10小时排胶~ ~处理后再在1200℃ 1500℃的温度下时间为4 10小时烧结，制得高介电可调的钛酸锶钡基~ ~
复合硅铝酸盐陶瓷介质材料。

[0009] 本发明高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料具有以下优点：

[0010] （1）该陶瓷材料体系的居里温度可随Ba/Sr和(1-m%) Ba1-zSrzTiO3+m%(Sr1-xBax)2Al2SiO7 （x=0～0.9；z=0.4～0.6；10 wt%≤m%≤90wt%）质量比在很宽的范围内连续可调，可以根据所设计的可调微波器件的工作温度要求调整材料体系的结构和性能；

[0011] （2）通过Ba/Sr和(1-m%) Ba1-zSrzTiO3+m%(Sr1-xBax)2Al2SiO7 （x=0～0.9；z=0.4～0.6；m%=10wt%～90 wt%）组分比例的变化，陶瓷介质材料的介电常数可连续可调，可以得到介电常数系列化的材料体系，拓宽了材料的应用范围；

[0012] （3）具有高Q值（低介电损耗）（Q值可达462）、低的介电常数（178），高的可调率（可调率可达21%），并且介电常数系列化（即：介电常数可通过改变m的数值调节组分的质量百分比以及随x、z值的变化调节Ba、Sr比来达到介电常数的可控性）；

[0013] （4）其成分以Ba1-zSrzTiO3相和(Sr1-xBax)2Al2SiO7 相共存，具有优异的微波介电性能；

[0014] （5）采用传统的电子陶瓷制备工艺，工艺简单，成本低，材料体系环保无毒副作用，性能优异，适用于电调谐微波谐振器、滤波器以及微波介质天线等可调微波元器件的材料。

具体实施方式

[0015] 实施例1

[0016] （1）按照70%Ba0.6Sr0.4TiO3+30%Sr2Al2SiO7中Ba、Sr、Ti、Si和Al的化学计量比分别称取BaCO311.680g、SrCO313.083g、TiO27.871g 、Al2O32.488g和SiO21.484g，将配好的原料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后分别经1000℃、1300℃、4 h预烧及研磨后得到混合粉料；

[0017] （2）将（1）中所述的混合粉料加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行20小时球磨，出料烘干后过筛制得混合粉料2；

[0018] （3）将（2）中所述混合粉料2外加重量百分比为8%的聚乙烯醇水溶液均匀混合并造粒，然后在10MPa压力下压制成陶瓷生坯片；

[0019] （4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在550℃的温度下，保温时间4小时排胶处理后，再在1200℃的温度下4小时烧结，制得高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料。

[0020] 实验所用的BaCO3纯度为99.8%，Alfa Aesar China LTD.生产，SrCO3纯度为99.0%，Alfa Aesar China LTD.生产，TiO2纯度为99.9%，佛山高新无机材料有限公司生产，Al2O3纯度99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产，SiO2纯度99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产；

[0021] 制备的高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料的性能为：居里温度Tc（℃）@10kHz为-42，介电常数ε（r 室温20℃）@10 kHz为178，介电损耗tanδ（室温20℃）@10 kHz为0.0001，介电可调性T（30kV/cm，20℃）@10 kHz为21%，谐振频率（MHz）为3370，谐振时介电常数εr为163，Q值为462。

[0022] 实施例2

[0023]  （1）按照50%Ba0.5Sr0.5TiO3+50%(Sr0.92Ba0.08)2Al2SiO7中Ba、Sr、Ti、Si和Al的化学计量比分别称取BaCO38.376g、SrCO316.278g、TiO25.756g 、Al2O34.058g和SiO22.391g，将配好的原料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后分别经1100℃、1250℃、4 h预烧及研磨后得到混合粉料；

[0024] （2）将（1）中所述的混合粉料加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行21小时球磨，出料烘干后过筛制得混合粉料2；

[0025] （3）将（2）中所述混合粉料2外加重量百分比为8.5%的聚乙烯醇水溶液均匀混合并造粒，然后在30MPa压力下压制成陶瓷生坯片；

[0026] （4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在560℃的温度下，保温时间6小时排胶处理后，再在1300℃的温度下6小时烧结，制得高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料。

[0027] 实验所用的BaCO3纯度为99.8%，Alfa Aesar China LTD.生产，SrCO3纯度为99.0%，Alfa Aesar China LTD.生产，TiO2纯度为99.9%，佛山高新无机材料有限公司生产，Al2O3纯度99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产，SiO2纯度99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产；

[0028] 制备的高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料的性能为：居里温度Tc（℃）@10kHz为-60，介电常数ε（r 室温20℃）@10 kHz为157，介电损耗tanδ（室温20℃）@10 kHz为0.0001，介电可调性T（30kV/cm，20℃）@10 kHz为16%，谐振频率（MHz）为2890，谐振时介电常数εr为144，Q值为431。

[0029] 实施例3

[0030] （1）按照90%Ba0.6Sr0.4TiO3+10%Sr2Al2SiO7中Ba、Sr、Ti、Si和Al的化学计量比分别称取BaCO315.017g、SrCO39.972g、TiO210.120g 、Al2O30.829g和SiO20.495g，将配好的原料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后分别经1000℃、1300℃、2 h预烧及研磨后得到混合粉料；

[0031] （2）将（1）中所述的混合粉料加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行22小时球磨，出料烘干后过筛制得混合粉料2；

[0032] （3）将（2）中所述混合粉料2外加重量百分比为9%的聚乙烯醇水溶液均匀混合并造粒，然后在50MPa压力下压制成陶瓷生坯片；

[0033] （4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在580℃的温度下，保温时间8小时排胶处理后，再在1400℃的温度下8小时烧结，制得高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料。

[0034] 实验所用的BaCO3纯度为99.8%，Alfa Aesar China LTD.生产，SrCO3纯度为99.0%，Alfa Aesar China LTD.生产，TiO2纯度为99.9%，佛山高新无机材料有限公司生产，Al2O3纯度99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产，SiO2纯度99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产；

[0035] 制备的高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料的性能为：居里温度Tc（℃）@10kHz为-7，介电常数ε（r 室温20℃）@10 kHz为3521，介电损耗tanδ（室温20℃）@10 kHz为0.0007，介电可调性T（30kV/cm，20℃）@10 kHz为35%，谐振频率（MHz）为1125，谐振时介电常数εr为2631，Q值为127。

[0036] 实施例4

[0037] （1）按照10%Ba0.4Sr0.6TiO3+90%(Sr0.1Ba0.9)2Al2SiO7中Ba、Sr、Ti、Si和Al的化学计量比分别称取BaCO323.864g、SrCO33.955g、TiO21.179g 、Al2O36.007g和SiO23.540g，将配好的原料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后分别经1200℃、1250℃、3 h预烧及研磨后得到混合粉料；

[0038] （2）将（1）中所述的混合粉料加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行24小时球磨，出料烘干后过筛制得混合粉料2；

[0039] （3）将（2）中所述混合粉料2外加重量百分比为10%的聚乙烯醇水溶液均匀混合并造粒，然后在100MPa压力下压制成陶瓷生坯片；

[0040] （4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在600℃的温度下，保温时间10小时排胶处理后，再在1500℃的温度下10小时烧结，制得高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料。

[0041] 实验所用的BaCO3纯度为99.8%，Alfa Aesar China LTD.生产，SrCO3纯度为99.0%，Alfa Aesar China LTD.生产，TiO2纯度为99.9%，佛山高新无机材料有限公司生产，Al2O3纯度99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产，SiO2纯度99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产；

[0042] 制备的高介电可调的钛酸锶钡基复合硅铝酸盐陶瓷介质材料的性能为：居里温度Tc（℃）@10kHz为-47，介电常数ε（r 室温20℃）@10 kHz为97，介电损耗tanδ（室温20℃）@10 kHz为0.0003，介电可调性T（30kV/cm，20℃）@10 kHz为11%，谐振频率（MHz）为1528，谐振时介电常数εr为93，Q值为154。