一種近零諧振頻率溫度係數的微波介質材料及其製備方法與流程

2023-10-24 18:20:02

本發明屬於電子陶瓷及其製造領域，特別涉及一種近零諧振頻率溫度係數的微波介質材料及其製備方法，該微波介質材料用於製備介質基板、天線和諧振器等微波元器件。

背景技術：

微波介質材料是指應用於微波頻段（300mhz~300ghz）電路中作為介質並完成一種或多種功能的陶瓷，主要用於製備諧振器、濾波器、介質天線、介質導波迴路等微波元器件。近年來，隨著微波元器件不斷向低成本化、高頻化以及輕量化方向的發展，這要求微波介質材料具有優良的微波介電性能（高的q×f值，低的介電常數、近零的τf值）、低的生產成本、低的密度。儘管目前報導了很多性能優異的微波介電材料，比如：ba(zn1/3nb2/3)o3，ba(mg1/3nb2/3)o3，ba(y1/2ta1/2)o3。但是較大的諧振頻率溫度係數限制了其在商業上的應用。目前最常用的調節溫度係數的方法主要有以下三種：（1）添加具有相反溫度係數的材料形成混合相；（2）添加具有相反溫度係數的材料形成固溶體；（3）開發新體系。目前，使用最多的方法是添加具有相反溫度係數的材料形成混合相。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種近零諧振頻率溫度係數的微波介質材料及其製備方法。

本發明思路：3mgo-al2o3-3tio2體系具有優良的微波介電性能，但是溫度係數較負，而catio3具有正的τf值（～800ppm/℃），通過向3mgo-al2o3-3tio2體系中添加catio3調節3mgo-al2o3-3tio2材料的τf值，從而獲得一種近零諧振頻率溫度係數的微波介質材料。本發明通過引入添加劑catio3調節τf值，從而獲得一種溫度係數近零且性能優異的微波介質陶瓷材料。

本發明的近零諧振頻率溫度係數的微波介質材料的化學組成式為：(1-x)(3mgo-al2o3-3tio2)-xcatio3，其中x為摩爾分數，且0.1≤x≤0.3。

製備上述近零諧振頻率溫度係數的微波介質材料的具體步驟為：

(1)以純度≥99%的al2o3、mgo和tio2為主要原料，先按3mgo-al2o3-3tio2進行稱量，然後混合製得混合料；按照無水乙醇與混合料質量比為1:1的比例向混合料中加入無水乙醇，採用溼磨法混合4小時，磨細後在120~140℃下烘乾，以60目的篩網過篩，過篩後壓製成塊狀，然後以5℃/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至1225℃並在此溫度下保溫4小時，製成3mgo-al2o3-3tio2樣品，將製得的3mgo-al2o3-3tio2樣品粉碎，分別按照無水乙醇與粉料質量比為1:1的比例向粉料中加入無水乙醇，放入尼龍罐中球磨4小時後取出，放入烘爐內在120~140℃下烘乾，製得3mgo-al2o3-3tio2粉體。

(2)以純度≥99%的caco3和tio2為主要原料，按catio3進行稱料，然後混合製得混合料；按照無水乙醇與混合料質量比為1:1的比例向混合料中加入無水乙醇，採用溼磨法混合4小時，磨細後在120~140℃下烘乾，以60目的篩網過篩，過篩後壓製成塊狀，然後以5℃/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至1100℃並在此溫度下保溫4小時，製成catio3樣品，將製得的catio3樣品粉碎，分別按照無水乙醇與粉料質量比為1:1的比例向粉料中加入無水乙醇，放入尼龍罐中球磨4小時後取出，放入烘爐內在120~140℃下烘乾，製得catio3粉體。

(3)以步驟(1)製得的3mgo-al2o3-3tio2粉體和步驟(2)製得的catio3粉體為原料，按(1-x)(3mgo-al2o3-3tio2)-xcatio3進行稱料，其中x為摩爾分數，且0.1≤x≤0.3，然後混合製得混合料；按照無水乙醇與混合料質量比為1:1的比例向混合料中加入無水乙醇，採用溼磨法混合4小時，磨細後在120~140℃下烘乾，製得混合粉體。

(4)將步驟(3)製得的混合粉體造粒後壓製成直徑為12mm，厚度為6mm的小圓柱，於500~600℃下排膠4小時，隨爐冷卻後得到瓷料，再將瓷料在1275~1350℃下燒結4小時即製得近零諧振頻率溫度係數的微波介質材料。

本發明方法操作簡單，且製備的近零諧振頻率溫度係數的微波介質材料，微波性能優異：低的介電常數（εr），高的q×f值以及較小的τf值；其中0.8(3mgo-al2o3-3tio2)+0.2catio3組分在1325℃下燒結具有較好的性能（εr~17.6,q×f∼36606ghz,τf~4.63ppm/℃），可用於諧振器、天線、濾波器等微波器件的製造。

具體實施方式

實施例1:

(1)以純度≥99%的al2o3、mgo和tio2為主要原料，先按3mgo-al2o3-3tio2進行稱量，然後混合製得混合料；按照無水乙醇與混合料質量比為1:1的比例向混合料中加入無水乙醇，採用溼磨法混合4小時，磨細後在130℃下烘乾，以60目的篩網過篩，過篩後壓製成塊狀，然後以5℃/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至1225℃並在此溫度下保溫4小時，製成3mgo-al2o3-3tio2樣品，將製得的3mgo-al2o3-3tio2樣品粉碎，分別按照無水乙醇與粉料質量比為1:1的比例向粉料中加入無水乙醇，放入尼龍罐中球磨4小時後取出，放入烘爐內在130℃下烘乾，製得3mgo-al2o3-3tio2粉體。

(2)以純度≥99%的caco3和tio2為主要原料，按catio3進行稱料，然後混合製得混合料；按照無水乙醇與混合料質量比為1:1的比例向混合料中加入無水乙醇，採用溼磨法混合4小時，磨細後在130℃下烘乾，以60目的篩網過篩，過篩後壓製成塊狀，然後以5℃/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至1100℃並在此溫度下保溫4小時，製成catio3樣品，將製得的catio3樣品粉碎，分別按照無水乙醇與粉料質量比為1:1的比例向粉料中加入無水乙醇，放入尼龍罐中球磨4小時後取出，放入烘爐內在130℃下烘乾，製得catio3粉體。

(3)以步驟(1)製得的3mgo-al2o3-3tio2粉體和步驟(2)製得的catio3粉體為原料，按0.9(3mgo-al2o3-3tio2)-0.1catio3進行稱料，然後混合製得混合料；按照無水乙醇與混合料質量比為1:1的比例向混合料中加入無水乙醇，採用溼磨法混合4小時，磨細後在130℃下烘乾，製得混合粉體。

(4)將步驟(3)製得的混合粉體造粒後壓製成直徑為12mm，厚度為6mm的小圓柱，於550℃下排膠4小時，隨爐冷卻後得到瓷料，再將瓷料在1275℃下燒結4小時即製得近零諧振頻率溫度係數的微波介質材料。用圓柱介質諧振器法對本實施例製得的微波介質材料進行微波介電性能的評價，結果見表1。

實施例2~12：

將3mgo-al2o3-3tio2簡寫為mat，catio3簡寫為ct。實施例2~12的製備步驟同實施例1，x的取值和步驟(4)中的燒結溫度見表1，用圓柱介質諧振器法對實施例2~12製得的微波介質材料進行微波介電性能的評價，結果見表1。

實施例1~12中製得的微波介質材料能夠廣泛用於各種介質基板、天線和濾波器等微波電子元器件的製造，滿足現代移動通信系統的技術需要。

表1不同成分的12個具體實施例及其微波介電性能