一种微波介电陶瓷及其制备方法

摘要

本发明属于微波介电陶瓷领域，具体涉及一种微波介电陶瓷及其制备方法。其是通过以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；采用湿法球磨，进行球磨；烘干，预煅烧；加入助烧剂Li2CO3和MgO后，进行二次球磨，烘干，加入5～10wt％的PVA溶液，进行造粒，在50～100MPa下压制成胚体，然后将胚体于300～500℃下排胶2～4h，然后在840～860℃下烧结3～6h，然后自然冷却至室温得到微波介电陶瓷。所述制备的微波介电陶瓷的介电常数εr为6.405～7.103，品质因数Q×f为84245～96132GHz，温度系数为τf为‑12.0～‑8.0ppm/℃，其具有优异的微波性能，适用于实际生产的理想材料。

权利要求

1.一种微波介电陶瓷的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：(1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；

(2)按照结构式为(Zn1‑x‑yCaxSry)2SiO4，其中，x为0.05～0.2；y为0.05～0.2，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；

(3)球磨后的粉体烘干，预煅烧；

(4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3和MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述Li2CO3和MgO的摩尔比为1:2～3；所述Li2CO3和MgO的质量之和占预烧后的粉体的2～4wt％；

(5)二次球磨后的粉体烘干，加入到陶瓷研钵中，加入5～10wt％的PVA溶液，混合均匀后，进行造粒，在50～100MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以2～4℃/min升温至300～

500℃，排胶2～4h，然后以5～8℃/min升温至840～860℃，烧结3～6h，然后自然冷却至室温得到微波介电陶瓷。

2.根据权利要求1所述的一种微波介电陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，配料前将原料在100～160℃烘干10～20h。

3.根据权利要求1所述的一种微波介电陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述球磨时长为20～30h，转速为200～300r/min，每30min转动换向一次。

4.根据权利要求3所述的一种微波介电陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述烘干的温度为100～150℃，干燥时间为5～8h，所述预煅烧的条件是在1000～1100℃预煅烧2～6h，升温速率为2～4℃/min。

5.根据权利要求2或4所述的一种微波介电陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述球磨时长为10～14h，转速为200～300r/min，每30min转动换向一次。

6.根据权利要求1所述的一种微波介电陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述烘干温度是100～130℃，所述混合时间为20～40min。

7.根据权利要求1‑6任一项所述的微波介电陶瓷的制备方法制备的微波介电陶瓷，其特征在于：所述微波介电陶瓷的介电常数εr为6.405～7.103，品质因数Q×f为84245～

96132GHz，温度系数为τf为‑12.0～‑8.0ppm/℃。

说明书

一种微波介电陶瓷及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于微波介电陶瓷技术领域。更具体地，涉及一种微波介电陶瓷及其制备方法。

背景技术

[0002] 低温共烧陶瓷技术(LTCC)作为一项革命性技术，凭借其成本低、已集成和极小型化的优点，成为目前发展迅速且应用极快的一项新技术。然而国内研究与国外研究相比，还
存在很大的差距，尤其对LTCC基本材料的自主研发，因此，加大对LTCC基板材料的基础研
究，开发拥有自主知识产权的关键材料，不仅可以促进我国在电子新型技术方面的创新能
力和市场竞争力，还可以极大地促进国民经济的发展。

[0003] 而对于LTCC基板的研究当中，硅酸盐类陶瓷在各方面性能的表现都是极其优异的，特别是Zn2SiO4类的陶瓷，而关于其研究一直没有停止过。YipingGuo等人第一次通过实
验调节了Zn2SiO4介电陶瓷的温度系数，Zn2SiO4在经过高温1350℃下的烧结后其介电性能
表现为εr＝6.6，Q×f＝219000GHz，τf＝‑61ppm/℃。Zn2SiO4陶瓷材料的一个突出的缺点就
是烧结温度太高，通过直接加氧化物或玻璃将烧结温度降到900℃会导致很大的介电损耗。
Song Chen等人研究了BaO和B2O3掺杂Zn2SiO4对其烧结温度和性能的影响，并在900℃烧结
温度下得到了微波性能如下的陶瓷，εr＝6.4～6.7，Q×f＝25000GHz，τf＝‑30ppm/℃。Jin‑
Seong Kim等报道了将B2O3添加到Zn1.8SiO3.8，获得了很好的微波性能：εr＝57，Q×f＝
53000GHz，τf＝‑16ppm/℃，Yang Lv等报道了将Ba3(VO4)2与Zn1.87SiO3.87复合，虽然通过复合
Ba3(VO4)2可以降低烧结温度和提升性能，但介电常数发生了很大的改变，其最终参数为εr
＝9.8，Q×f＝343000GHz，τf＝‑1.1ppm/℃。

[0004] 虽然，上述通过烧结剂能够改善硅酸锌微波介电性能，但是介电常数变化比较大，品质因数也降低的比较多，或者温度系数较低。因而急需开发一种新的微波介电陶瓷在保
证介电常数变化不大，品质因数也不低的前提下使得温度系数接近0ppm/℃，进而保证其能
够很好的应用于实际生成中。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有介电常数变化比较大，品质因数也降低的比较多，或者温度系数较低的缺陷和不足，提供一种微波介电陶瓷及其制备方法，

[0006] 本发明的目的是提供一种微波介电陶瓷的制备方法，通过采用固相反应得到微波介电陶瓷。

[0007] 本发明另一目的是提供一种有上述制备方法制备的微波介电陶瓷。

[0008] 本发明上述目的通过以下技术方案实现：

[0009] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0010] (1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；

[0011] (2)按照结构式为(Zn1‑x‑yCaxSry)2SiO4，其中，x为0.05～0.2；y为0.05～0.2，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；

[0012] (3)球磨后的粉体烘干，预煅烧；

[0013] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3和MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；

[0014] (5)二次球磨后的粉体烘干，加入到陶瓷研钵中，加入5～10wt％的PVA溶液，混合均匀后，进行造粒，在50～100MPa下压制成胚体，然后将胚体于300～500℃下排胶2～4h，然
后在840～860℃下烧结3～6h，然后自然冷却至室温得到微波介电陶瓷。

[0015] 优选的，所述步骤1)中，配料前将原料在100～160℃烘干10～20h。

[0016] 优选的，所述步骤2)中，所述球磨时长为20～30h，转速为200～300r/min，每30min转动换向一次。

[0017] 优选的，所述步骤3)中，所述烘干的温度为100～150℃，干燥时间为5～8h，所述预煅烧的条件是在1000～1100℃预煅烧2～6h，升温速率为2～4℃/min。

[0018] 优选的，所述步骤4)中，所述球磨时长为10～14h，转速为200～300r/min，每30min转动换向一次。

[0019] 优选的，在步骤(4)中，所述Li2CO3和MgO的摩尔比为1:2～3；所述Li2CO3和MgO的质量之和占预烧后的粉体的2～4wt％；

[0020] 优选的，所述步骤5)中，所述烘干温度是100～130℃，所述混合时间为20～40min。

[0021] 优选的，在步骤(5)中，所述将胚体于300～500℃下排胶2～4h，然后在850～900℃下烧结3～6h，具体为从室温以2～4℃/min升温至300～500℃，排胶2～4h，然后以5～8℃/
min升温至840～860℃，烧结3～6h。

[0022] 通过上述制备方法制备的微波介电陶瓷，其介电常数εr为6.405～7.103，品质因数Q×f为84245～96132GHz，温度系数为τf为‑12.0～‑8.0ppm/℃。

[0023] 本发明具有以下有益效果：

[0024] (1)本发明涉及的一种微波介电陶瓷的制备方法，采用传统工艺制备，制备工艺简单，制成成本低，有利于工业化生产。

[0025] (2)在制备过程中通过钙和锶共掺杂，降低了烧结温度，而且通过钙和锶的协同作用提高了介电陶瓷致密化，而且具有优异的微波介电陶瓷性能。

[0026] (3)通过采用Li2CO3和MgO作为烧结助剂，利用两种的协同作用，促进了在较低温度下介电陶瓷晶粒均匀生长并完成烧结，而且在烧结助剂的存在下，介电陶瓷致密化进一步
提高，而且微波介电陶瓷性能得到进一步改善。

具体实施方式

[0027] 以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

[0028] 除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

[0029] 实施例1

[0030] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0031] (1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；

[0032] (2)配料前将原料在130℃烘干15h，然后按照结构式为(Zn0.8Ca0.1Sr0.1)2SiO4，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；所述球磨时长为26h，转速为250r/
min，每30min转动换向一次；

[0033] (3)球磨后的粉体于120℃下干燥6h，在1050℃预煅烧4h，升温速率为3℃/min；

[0034] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3和MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述球磨时长为12h，转速为250r/min，每30min转动换向一次；所述Li2CO3和
MgO的摩尔比为1:2.5；所述Li2CO3和MgO的质量之和占预烧后的粉体的3wt％；

[0035] (5)二次球磨后的粉体于120℃下烘干，加入到陶瓷研钵中，加入8wt％的PVA溶液，混合30min，混合均匀后，进行造粒，在80MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以3℃/min升
温至400℃排胶3h，然后以6℃/min升温至840℃烧结4h，然后自然冷却至室温得到微波介电
陶瓷。

[0036] 实施例2

[0037] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0038] (1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；

[0039] (2)配料前将原料在160℃烘干10h，然后按照结构式为(Zn0.75Ca0.2Sr0.05)2SiO4，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；所述球磨时长为30h，转速为200r/
min，每30min转动换向一次；

[0040] (3)球磨后的粉体于150℃下干燥5h，在1100℃预煅烧2h，升温速率为4℃/min；

[0041] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3和MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述球磨时长为14h，转速为200r/min，每30min转动换向一次；所述Li2CO3和
MgO的摩尔比为1:3；所述Li2CO3和MgO的质量之和占预烧后的粉体的4wt％；

[0042] (5)二次球磨后的粉体于130℃下烘干，加入到陶瓷研钵中，加入10wt％的PVA溶液，混合40min，混合均匀后，进行造粒，在100MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以4℃/
min升温至500℃排胶2h，然后以8℃/min升温至860℃烧结3h，然后自然冷却至室温得到微
波介电陶瓷。

[0043] 实施例3

[0044] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0045] (1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；

[0046] (2)配料前将原料在100℃烘干20h，然后按照结构式为(Zn0.75Ca0.05Sr0.2)2SiO4，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；所述球磨时长为20h，转速为300r/
min，每30min转动换向一次；

[0047] (3)球磨后的粉体于100℃下干燥8h，在1000℃预煅烧6h，升温速率为2℃/min；

[0048] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3和MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述球磨时长为10h，转速为300r/min，每30min转动换向一次；所述Li2CO3和
MgO的摩尔比为1:2；所述Li2CO3和MgO的质量之和占预烧后的粉体的2wt％；

[0049] (5)二次球磨后的粉体于100℃下烘干，加入到陶瓷研钵中，加入5wt％的PVA溶液，混合20min，混合均匀后，进行造粒，在50MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以2℃/min升
温至300℃排胶4h，然后以5℃/min升温至850℃烧结3～6h，然后自然冷却至室温得到微波
介电陶瓷。

[0050] 对比例1

[0051] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0052] (1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3和SiO2粉末为原料；

[0053] (2)配料前将原料在130℃烘干15h，然后按照结构式为(Zn0.8Ca0.2)2SiO4，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；所述球磨时长为26h，转速为250r/min，
每30min转动换向一次；

[0054] (3)球磨后的粉体于120℃下干燥6h，在1050℃预煅烧4h，升温速率为3℃/min；

[0055] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3和MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述球磨时长为12h，转速为250r/min，每30min转动换向一次；所述Li2CO3和
MgO的摩尔比为1:2.5；所述Li2CO3和MgO的质量之和占预烧后的粉体的3wt％；

[0056] (5)二次球磨后的粉体于120℃下烘干，加入到陶瓷研钵中，加入8wt％的PVA溶液，混合30min，混合均匀后，进行造粒，在80MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以3℃/min升
温至400℃排胶3h，然后以6℃/min升温至840℃烧结4h，然后自然冷却至室温得到微波介电
陶瓷。

[0057] 对比例2

[0058] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0059] (1)以纯度为99.9％的ZnO、SrCO3和SiO2粉末为原料；

[0060] (2)配料前将原料在130℃烘干15h，然后按照结构式为(Zn0.8Sr0.2)2SiO4，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；所述球磨时长为26h，转速为250r/min，
每30min转动换向一次；

[0061] (3)球磨后的粉体于120℃下干燥6h，在1050℃预煅烧4h，升温速率为3℃/min；

[0062] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3和MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述球磨时长为12h，转速为250r/min，每30min转动换向一次；所述Li2CO3和
MgO的摩尔比为1:2.5；所述Li2CO3和MgO的质量之和占预烧后的粉体的3wt％；

[0063] (5)二次球磨后的粉体于120℃下烘干，加入到陶瓷研钵中，加入8wt％的PVA溶液，混合30min，混合均匀后，进行造粒，在80MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以3℃/min升
温至400℃排胶3h，然后以6℃/min升温至840℃烧结4h，然后自然冷却至室温得到微波介电
陶瓷。

[0064] 对比例3

[0065] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0066] (1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；

[0067] (2)配料前将原料在130℃烘干15h，然后按照结构式为(Zn0.8Ca0.1Sr0.1)2SiO4，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；所述球磨时长为26h，转速为250r/
min，每30min转动换向一次；

[0068] (3)球磨后的粉体于120℃下干燥6h，在1050℃预煅烧4h，升温速率为3℃/min；

[0069] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述球磨时长为12h，转速为250r/min，每30min转动换向一次；所述Li2CO3占预烧后
的粉体的3wt％；

[0070] (5)二次球磨后的粉体于120℃下烘干，加入到陶瓷研钵中，加入8wt％的PVA溶液，混合30min，混合均匀后，进行造粒，在80MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以3℃/min升
温至400℃排胶3h，然后以6℃/min升温至840℃烧结4h，然后自然冷却至室温得到微波介电
陶瓷。

[0071] 对比例4

[0072] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0073] (1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；

[0074] (2)配料前将原料在130℃烘干15h，然后按照结构式为(Zn0.8Ca0.1Sr0.1)2SiO4，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；所述球磨时长为26h，转速为250r/
min，每30min转动换向一次；

[0075] (3)球磨后的粉体于120℃下干燥6h，在1050℃预煅烧4h，升温速率为3℃/min；

[0076] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述球磨时长为12h，转速为250r/min，每30min转动换向一次；所述MgO占预烧后的粉
体的3wt％；

[0077] (5)二次球磨后的粉体于120℃下烘干，加入到陶瓷研钵中，加入8wt％的PVA溶液，混合30min，混合均匀后，进行造粒，在80MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以3℃/min升
温至400℃排胶3h，然后以6℃/min升温至840℃烧结4h，然后自然冷却至室温得到微波介电
陶瓷。

[0078] 对比例5

[0079] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0080] (1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；

[0081] (2)配料前将原料在130℃烘干15h，然后按照结构式为(Zn0.8Ca0.1Sr0.1)2SiO4，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；所述球磨时长为26h，转速为250r/
min，每30min转动换向一次；

[0082] (3)球磨后的粉体于120℃下干燥6h，在1050℃预煅烧4h，升温速率为3℃/min；

[0083] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3和MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述球磨时长为12h，转速为250r/min，每30min转动换向一次；所述Li2CO3和
MgO的摩尔比为1:2.5；所述Li2CO3和MgO的质量之和占预烧后的粉体的3wt％；

[0084] (5)二次球磨后的粉体于120℃下烘干，加入到陶瓷研钵中，加入8wt％的PVA溶液，混合30min，混合均匀后，进行造粒，在80MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以3℃/min升
温至400℃排胶3h，然后以6℃/min升温至900℃烧结4h，然后自然冷却至室温得到微波介电
陶瓷。

[0085] 对比例6

[0086] 一种微波介电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0087] (1)以纯度为99.9％的ZnO、CaCO3、SrCO3和SiO2粉末为原料；

[0088] (2)配料前将原料在130℃烘干15h，然后按照结构式为(Zn0.8Ca0.1Sr0.1)2SiO4，称量原料，采用湿法球磨，球磨介质为无水乙醇，进行球磨；所述球磨时长为26h，转速为250r/
min，每30min转动换向一次；

[0089] (3)球磨后的粉体于120℃下干燥6h，在1050℃预煅烧4h，升温速率为3℃/min；

[0090] (4)将预烧后的粉体放入到玛瑙研钵中，将助烧剂Li2CO3和MgO添加玛瑙研钵中，进行二次球磨；所述球磨时长为12h，转速为250r/min，每30min转动换向一次；所述Li2CO3和
MgO的摩尔比为1:2.5；所述Li2CO3和MgO的质量之和占预烧后的粉体的3wt％；

[0091] (5)二次球磨后的粉体于120℃下烘干，加入到陶瓷研钵中，加入8wt％的PVA溶液，混合30min，混合均匀后，进行造粒，在80MPa下压制成胚体，然后将胚体从室温以3℃/min升
温至400℃排胶3h，然后以6℃/min升温至1000℃烧结4h，然后自然冷却至室温得到微波介
电陶瓷。

[0092] 将上述实施例1‑3以及对比例1‑8所获得的微波介质陶瓷进行研磨抛光，得到表面平整光滑的陶瓷成品，采用Keysight E5232B矢量网络分析仪测试圆柱体陶瓷谐振频率下
的微波介电性能如下表1(介电常数测试系统(介质谐振器法)：将测试夹具用线缆接到矢量
网络分析仪上，测试夹具置于高低温箱中，在常温下进行常温的谐振频率，Q×f值，介电常
数测试，然后升温，样品温度升至125℃，测试此时的谐振频率，此时可计算出谐振频率温度
系数τf)。

[0093] 表1

[0094]编号 εr Q×f(GHz) τf(ppm/℃)
实施例1 6.405 96132 ‑8.0
实施例2 7.103 84245 ‑12.0
实施例3 6.894 90146 ‑10.4
对比例1 7.614 45614 ‑14.6
对比例2 7.548 49574 ‑14.1
对比例3 8.465 35471 ‑15.2
对比例4 8.798 32154 ‑15.6
对比例5 8.364 21046 ‑16.4
对比例6 8.452 12134 ‑18.7

[0095] 通过上述数据分析可知，本申请采用的通过钙和锶共掺杂以及烧结助剂的使用，由于上述组分之间的协同作用，使得微波介电陶瓷在保证介电常数εr为6.405，品质因数Q
×f为96132GHZ，而且温度系数τf达到‑8.0ppm/℃。因而本申请的微波介电陶瓷其具有优异
的微波性能，适用于实际生产的理想材料。

[0096] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。