溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷及其製備方法與流程
2023-09-23 02:53:20 2
本發明屬於電子陶瓷及其製造
技術領域：
，具體涉及一種溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷及其製備方法。
背景技術：
：微波介質陶瓷是指應用於微波頻段(300mhz～300ghz)電路中作為介質材料完成一種或多種功能的陶瓷材料。理想微波介質陶瓷具有合適的介電常數εr、高品質因數q×f(良好頻率選擇性)和趨於零的諧振頻率溫度係數τf(高的溫度穩定性)。隨著當代微波通信和無線通信產業的迅速發展，特別是作為通信系統關鍵組件的微波器件工作頻率不斷向高頻端擴展，如4g已經開始普及，5g技術日趨成熟，這對高頻用微波介質材料提出了更高要求，要求其具有低介電常數與良好的溫度穩定性。因此，開發和研究應用於高頻下的溫度穩定性好、低介電常數微波介質陶瓷受到極大關注。隨著陶瓷材料的不斷發展，為滿足不同應用，各種性能優異的新材料不斷湧現。巖鹽結構銻酸鎂鋰(li3mg2sbo6)是一種新型低損耗微波介質材料，但其存在以下兩方面缺點：其一是存在li3mg2sbo6陶瓷燒結後破裂，其二是其溫度穩定性差(τf為-14ppm/℃)，使其無法滿足實際應用需求。因此，抑制li3mg2sbo6陶瓷燒結破裂並改善其τf值有利於實現li3mg2sbo6基介質陶瓷的商用化，使其滿足高頻微波電路中的應用需求。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術中li3mg2sbo6陶瓷燒結破裂且諧振頻率溫度係數偏大的缺點，提供一種低成本、性能優異的溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷，並為其提供一種製備方法。解決上述技術問題所採用的技術方案是：該複合陶瓷的物相包括巖鹽結構的li3mg2sbo6相、正交結構的ba3(vo4)2相和三方結構的basb2o6相，其中li3mg2sbo6的含量為54wt％～78wt％、ba3(vo4)2的含量為13wt％～38wt％、其餘為basb2o6；該複合陶瓷的介電常數為9.0～12.1、品質因數為18400～45100ghz、諧振頻率溫度係數為-9.0～+7.0ppm/℃。本發明複合陶瓷中，優選li3mg2sbo6的含量為62wt％、ba3(vo4)2的含量為29wt％、其餘為basb2o6，該複合陶瓷的介電常數為10.9、品質因數為45100ghz、諧振頻率溫度係數為+2.0ppm/℃。本發明溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷的製備方法由下述步驟組成：1、製備li3mg2sbo6預燒粉按li3mg2sbo6的化學計量比，將mgo、li2co3和sb2o3裝入尼龍球磨罐中，以瑪瑙球為磨球、無水乙醇為球磨介質，充分混合球磨8小時，80～100℃乾燥，925～975℃預燒3～5小時，製備成li3mg2sbo6預燒粉。2、製備ba3(vo4)2預燒粉按ba3(vo4)2的化學計量比，將baco3和v2o5裝入尼龍球磨罐中，以瑪瑙球為磨球、無水乙醇為球磨介質，充分混合球磨8小時，80～100℃乾燥，625～675℃預燒18～24小時，製備成ba3(vo4)2預燒粉。3、製備溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷按(1-x)li3mg2sbo6-xba3(vo4)2的化學計量比，其中0.05≤x≤0.15，將li3mg2sbo6預燒粉、ba3(vo4)2預燒粉裝入尼龍球磨罐中，以瑪瑙球為磨球、無水乙醇為球磨介質，充分混合球磨8小時，乾燥，加入質量分數為5％的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過80～120目篩，用粉末壓片機壓製成圓柱形生坯，將圓柱形生坯在1100～1225℃燒結1～10小時，製備溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷。上述步驟3中，優選x＝0.1。上述步驟3中，進一步優選將圓柱形生坯在1200℃燒結5小時。本發明通過在銻酸鎂鋰(li3mg2sbo6)基陶瓷中引入具有正諧振頻率溫度係數的陶瓷材料ba3(vo4)2，不僅改善了li3mg2sbo6陶瓷的溫度穩定性，同時抑制其燒結破裂的問題，獲得了具有良好微波介電性能的新材料。這種溫度穩定型微波介質複合陶瓷所用原料來源豐富、成本低廉，可廣泛應用於微波基板、無限區域網用濾波器、多層介質諧振器等高頻微波器件的製造。附圖說明圖1是實施例1～7製備的溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷的x射線粉末衍射圖。圖2是實施例1製備的溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷掃描電鏡圖，其中a代表li3mg2sbo6、b代表ba3(vo4)2。圖3是對比例1製備的銻酸鎂鋰陶瓷的照片。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明的保護範圍不僅限於這些實施例。實施例11、製備li3mg2sbo6預燒粉按li3mg2sbo6的化學計量比稱取原料mgo2.391g、li2co33.354g、sb2o34.366g，裝入尼龍球磨罐中，加入20g瑪瑙球、20g無水乙醇，用行星球磨機充分混合球磨8小時，轉速為360轉/分鐘，球磨完後置於烘箱內80～100℃乾燥4小時，然後裝入剛玉坩堝中950℃預燒4小時，製備成li3mg2sbo6預燒粉。2、製備ba3(vo4)2預燒粉按ba3(vo4)2的化學計量比稱取原料baco37.650g、v2o52.350g，裝入尼龍球磨罐中，加入瑪瑙球20g、無水乙醇20g，用行星球磨機充分混合球磨8小時，轉速為360轉/分鐘，球磨完後置於烘箱內80～100℃乾燥4小時，然後裝入剛玉坩堝中650℃預燒20小時，製備成ba3(vo4)2預燒粉。3、製備溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷按0.9li3mg2sbo6-0.1ba3(vo4)2的化學計量比稱取li3mg2sbo6預燒粉8.01g、ba3(vo4)2預燒粉1.99g，裝入尼龍球磨罐中，加入瑪瑙球20g和無水乙醇20g，用行星球磨機充分混合球磨8小時，轉速為360轉/分鐘，球磨完後置於烘箱內80～100℃乾燥4小時，然後加入0.5g質量分數為5％的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過120目篩，用粉末壓片機在4mpa壓力下壓製成直徑為10mm、厚度為5mm的圓柱形生坯，將圓柱形生坯在1200℃燒結5小時，製備成溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷。實施例2本實施例的步驟3中，按0.95li3mg2sbo6-0.05ba3(vo4)2的化學計量比稱取li3mg2sbo6預燒粉8.948g、ba3(vo4)2預燒粉1.052g，其他步驟與實施例1相同，製備成溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷。實施例3本實施例的步驟3中，按0.85li3mg2sbo6-0.15ba3(vo4)2的化學計量比稱取li3mg2sbo6預燒粉7.171g、ba3(vo4)2預燒粉2.829g，裝入尼龍球磨罐中，加入瑪瑙球20g和無水乙醇20g，用行星球磨機充分混合球磨8小時，轉速為360轉/分鐘，球磨完後置於烘箱內80～100℃乾燥4小時，然後加入0.5g質量分數為5％的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過120目篩，用粉末壓片機在4mpa壓力下壓製成直徑為10mm、厚度為5mm的圓柱形生坯，將圓柱形生坯在1100℃燒結5小時。其他步驟與實施例1相同，製備成溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷。實施例4在實施例1的步驟3中，將圓柱形生坯在1125℃燒結5小時，其他步驟與實施例1相同，製備成溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷。實施例5在實施例1的步驟3中，將圓柱形生坯在1150℃燒結5小時，其他步驟與實施例1相同，製備成溫度穩定型銻酸鎂鋰基複合陶瓷。實施例6在實施例1的步驟3中，將圓柱形生坯在1175℃燒結5小時，其他步驟與實施例1相同，製備成溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷。實施例7在實施例1的步驟3中，將圓柱形生坯在1225℃燒結5小時，其他步驟與實施例1相同，製備成溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷。對比例1按li3mg2sbo6的化學計量比稱取mgo2.391g、li2co33.354g、sb2o34.366g，裝入尼龍球磨罐中，加入20g瑪瑙球、20g無水乙醇，用行星球磨機充分混合球磨8小時，轉速為360轉/分鐘，球磨完後置於烘箱內80～100℃乾燥4小時，然後裝入剛玉坩堝中950℃預燒4小時，製備成li3mg2sbo6預燒粉。將li3mg2sbo6預燒粉進行二次球磨8小時，再烘乾，加入0.5g質量分數為5％的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過120目篩，用粉末壓片機在4mpa壓力下壓製成直徑為10mm、厚度為5mm的圓柱形生坯，將圓柱形生坯在1200℃燒結5小時，製備成銻酸鎂鋰陶瓷。對比例2在對比例1中，將圓柱形生坯在1175℃燒結5小時，其他步驟與對比例1相同，製備成銻酸鎂鋰陶瓷。對比例3在對比例1中，將圓柱形生坯在1225℃燒結5小時，其他步驟與對比例1相同，製備成銻酸鎂鋰陶瓷。發明人採用ragukud/max2550(japan)型x射線衍射儀及quantan200(holand)型環境掃描電子顯微鏡對實施例1～7製備的溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷進行表徵，結果見圖1和圖2。由圖1可見，所製備的溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷由巖鹽結構的li3mg2sbo6相、正交結構的ba3(vo4)2和三方結構的basb2o6相組成，各物相的質量百分含量見表1。由圖2可見，所製備的溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷由晶粒尺寸大小不同的兩種晶粒所組成。表1本發明微波介質複合陶瓷的物相組成複合陶瓷li3mg2sbo6(wt％)ba3(vo4)2(wt％)basb2o6(wt％)實施例162299實施例278139實施例356386實施例4603010實施例5612910實施例6583012實施例7543511發明人採用閉腔諧振法，用zvb20矢量網絡分析儀(由德國羅德&施瓦茨公司生產)對實施例1～7製備的溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷以及對比例1～3製備的銻酸鎂鋰陶瓷進行微波介電性能測試，樣品的諧振頻率溫度係數在20～80℃溫度範圍內測試，te01δ諧振模的頻率在10.0～11.0ghz範圍內，測試結果與公布號為cn105198422a、發明名稱為「一種li3ni2nbo6微波介質材料及其製備方法」中實施例1製備的li3ni2nbo6陶瓷、現有文獻報導的li3mg2nbo6、li3zn2sbo6(microwavedielectricpropertiesofthelithiumcontainingcompoundswithrocksaltstructure,ferroelectrics,387:123-129,2009)陶瓷材料的微波介電性能進行比較，結果見表2。表2不同陶瓷材料的微波介電性能對比註：表中-表示由於樣品破裂無法準確計算其εr。試驗結果顯示，對比例1～3製備的銻酸鎂鋰陶瓷不僅燒結後發生破裂，無法獲得圓柱形陶瓷(如圖3所示)，且具有較大的負諧振頻率溫度係數(見上表1)，本發明實施例1～7通過在銻酸鎂鋰陶瓷中添加適量的ba3(vo4)2，有效調節了其諧振頻率溫度係數，特別是顯著抑制了li3mg2nbo6陶瓷破裂。同時，與文獻報導的li3mg2nbo6、li3zn2nbo6陶瓷相比，本發明實施例1～7製備的溫度穩定型銻酸鎂鋰基微波介質複合陶瓷不僅具有較低燒結溫度，且具有較好溫度穩定性；與公布號為cn105198422a的專利li3ni2nbo6陶瓷相比，本發明複合陶瓷具有更低的介電損耗和更好的溫度穩定性。當前第1頁12