一種低損耗型低介電常數微波介電陶瓷Li₃MgNbO₅的制作方法

一種低損耗型低介電常數微波介電陶瓷Li₃MgNbO₅的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種巖鹽結構復合氧化物Li3MgNbO5作為低損耗型低介電常數微波介電陶瓷的應用及其制備方法。（1）將純度為99.9%（重量百分比）以上的Li2CO3、MgO和Nb2O5的原始粉末按Li3MgNbO5的組成稱量配料；（2）將步驟（1）原料濕式球磨混合8小時，球磨介質為無水乙醇，烘干后在900℃大氣氣氛中預燒4小時；（3）在步驟（2）制得的粉末中添加粘結劑并造粒后，再壓制成型，最后在1100~1200℃大氣氣氛中燒結4小時；所述的粘結劑采用質量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量占粉末總質量的3%。本發明制備的陶瓷燒結良好，介電常數達到15.4～16.7，其品質因數Q×f值高達63,000?76,000GHz，諧振頻率溫度系數小，在工業上有著極大的應用價值。
【專利說明】
一種低損耗型低介電常數微波介電陶瓷Li 3MgNb05
技術領域
[0001] 本發明涉及介電陶瓷材料，特別是涉及用于制造微波頻率使用的陶瓷基板、諧振 器與濾波器等微波元器件的介電陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 微波介電陶瓷是指應用于微波頻段(主要是UHF和SHF頻段）電路中作為介質材料 并完成一種或多種功能的陶瓷，在現代通訊中被廣泛用作諧振器、濾波器、介質基片和介質 導波回路等元器件，是現代通信技術的關鍵基礎材料，已在便攜式移動電話、汽車電話、無 繩電話、電視衛星接受器和軍事雷達等方面有著十分重要的應用，在現代通訊工具的小型 化、集成化過程中正發揮著越來越大的作用。
[0003] 國際上從20世紀30年代末就有人嘗試將電介質材料應用于微波技術，并制備出 TiO2微波介質濾波器，但其諧振頻率溫度系數T/太大而無法實用化。上世紀70年代以來，開 始了大規模的對介質陶瓷材料的開發工作，根據相對介電常數^的大小與使用頻段的不 同，通常可將已被開發和正在開發的微波介質陶瓷分為4類。
[0004] (1)超低介電常數微波介電陶瓷，主要代表是Al2〇3-Ti〇2、Y2BaCu0 5、MgAl2〇4和 Mg2Si〇4等，其Er < 20，Βαπ質因數QXf 2 50000GHz，v < 10 ppm/°c。主要用于微波基板 以及高端微波元器件。
[0005] (2Mger和高Q值的微波介電陶瓷，主要是Ba〇-Mg〇-Ta2〇5，BaO-ZnO-Ta 2O5或BaO-MgO-Nb2O5, BaO-ZnO-Nb2O5系統或它們之間的復合系統MWDC材料。其εΓ= 20~35，Q = (1~ 2) X 104(在f 2 10 GHz下），τ/ ? 〇。主要應用于f 2 8 GHz的衛星直播等微波通信機中 作為介質諧振器件。
[0006] (3)中等值的微波介電陶瓷，主要是以BaTi4〇9、Ba2Ti9〇20和(Zr、Sn)Ti〇4等為 基的MWDC材料，其ε Γ= 35~45，Q =(6~9)X103(在f = 3~一4GHz下），τ/ < 5 ppm/°C。主 要用于4~8 GHz頻率范圍內的微波軍用雷達及通信系統中作為介質諧振器件。
[0007] (4)高^而〇值較低的微波介電陶瓷，主要用于0.8~4 GHz頻率范圍內民用移動通 訊系統，這也是微波介電陶瓷研究的重點。80年代以來，Kolar、Kato等人相繼發現并研究了 類鈣鈦礦鎢青銅型BaO-Ln 2O3-TiO2系列(Ln=La、Sm、Nd或Pr等，簡稱BLT系）、復合鈣鈦礦 結構CaO-Li2〇一Ln2〇3-Ti〇2系列、鉛基系列材料、Cai- xLn2x/3Ti〇3系等尚￡]:微波介電陶瓷， 其中BLT體系的BaO-NcbO 3-Ti〇2材料介電常數達到90,鉛基系列（Pb,Ca)Zr03介電常數達 到 105〇
[0008] 應用于微波頻段的介電陶瓷，應滿足如下介電特性的要求：（1)系列化介電常數^ 以適應不同頻率及不同應用場合的要求；（2)高的品質因數Q值或低的介質損耗tanS以降低 噪音，一般要求QXf 2 3000 GHz; (3)諧振頻率的溫度系數T/盡可能小以保證器件具有好 的熱穩定性，一般要求-10 ppm/°C < τ/ < +10 ppm/°C。由于微波介電陶瓷的三個性能 指標與QXf和τ/)之間是相互制約的關系（見文獻:微波介質陶瓷材料介電性能間的制 約關系，朱建華，梁飛，汪小紅，呂文中，電子元件與材料，2005年3月第3期），滿足三個性能 要求且可低溫燒結的單相微波介質陶瓷非常少，主要是它們的諧振頻率溫度系數通常過大 或者品質因數偏低而無法實際應用要求。目前對微波介質陶瓷的研究大部分是通過大量實 驗而得出的經驗總結，卻沒有完整的理論來闡述微觀結構與介電性能的關系。因此，在理論 上還無法從化合物的組成與結構上預測其諧振頻率溫度系數和品質因數等微波介電性能。 探索與開發同時具有近零諧振頻率溫度系數(-10 ppm/°c < τ/ < +10 ppm/°C)與較高 品質因數的微波介電陶瓷是本領域技術人員一直渴望解決但始終難以獲得成功的難題。
[0009] 為進一步探索新型微波介質材料，上海大學卞建江研究小組報道了 A3BO4型巖鹽結 構Li3NKk陶瓷具有低介電常數（e r~ 16.4)和高品質因數Q X f值(47，200 GHz)，而其諧振頻 率溫度系數τ/負值偏大(-45 ppm/°C)。巖鹽結構是AaBb0a+b型化合物最典型的結構之一，其 結構以共棱的氧八面體[B06 ]為骨架構成的網絡結構，其中陰離子B排列成立方密堆積，陽 離子A填充在陰離子構成的八面體空隙中，A和B的配位數均為6。巖鹽結構化學組分的多變 性和結構的可調性說明其微波介電性能可以在很寬的范圍內進行調整。我們對通式為 Li3MgxNb〇4+x(0 < X < 4)體系進行了微波介電性能的研究，發現Li3MgNbO5具有較好的綜 合微波介電性能。

【發明內容】

[0010] 本發明的目的是提供一種具有良好熱穩定性與低損耗的低介電常數微波介電陶 瓷材料及其制備方法。
[0011]本發明的微波介電陶瓷材料的化學組成為Li3MgNbO5。
[0012]本微波介電陶瓷材料的制備方法步驟為： (1) 將純度為99.9%(重量百分比）以上的Li2C〇3、MgO和Nb2O5的原始粉末按Li 3MgNbO5的 組成稱量配料； (2) 將步驟（1)原料濕式球磨混合8小時，球磨介質為無水乙醇，烘干后在900°C大氣氣 氛中預燒4小時； (3) 在步驟(2)制得的粉末中添加粘結劑并造粒后，再壓制成型，最后在1100~1200°C大 氣氣氛中燒結4小時;所述的粘結劑采用質量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量 占粉末總質量的3%。
[0013] 本發明的優點：Li3MgNb05陶瓷的介電常數達到15.4~16.7，品質因數Q X f值高達 63,000-76,0006他，諧振頻率的溫度系數1/較小，可廣泛用于各種介質基板、諧振器和濾波 器等微波器件的制造，在工業上有著極大的應用價值。
【具體實施方式】
[0014] 實施例： 表1示出了構成本發明的不同燒結溫度的3個具體實施例及其微波介電性能。其制備方 法如上所述，用圓柱介質諧振器法進行微波介電性能的評價。
[0015] 本陶瓷可廣泛用于各種介質基板、諧振器和濾波器等微波器件的制造，可滿足移 動通信和衛星通信等系統的技術需要。
[0016] 表1:
【主權項】
1. 一種作為溫度穩定型低介電常數微波介電陶瓷應用的復合氧化物，其特征在于所述 復合氧化物的化學組成為:Li3MgNb〇5; 所述復合氧化物的制備方法步驟為： (1) 將純度為99.9%(重量百分比）以上的1^2〇)3、1^0和恥20 5的原始粉末按1^31^他05的 組成稱量配料； (2) 將步驟（1)原料濕式球磨混合8小時，球磨介質為無水乙醇，烘干后在900°C大氣氣 氛中預燒4小時； (3) 在步驟(2)制得的粉末中添加粘結劑并造粒后，再壓制成型，最后在1100~1200°C大 氣氣氛中燒結4小時;所述的粘結劑采用質量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量 占粉末總質量的3%。
【文檔編號】C04B35/495GK105859284SQ201610199093
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】李純純, 王丹, 相懷成, 楊光杰
【申請人】桂林理工大學