釩酸鹽微波介電陶瓷Ca_1.5M₃V₃O₁₂及其製備方法

2023-06-21 03:19:11

專利名稱：釩酸鹽微波介電陶瓷Ca1.5M3V3O12及其製備方法
技術領域：
本發明涉及介電陶瓷材料，特別是涉及在微波頻率使用的介質基板、諧振器和濾波器等微波元器件的微波介電陶瓷材料及其製備方法。
背景技術：
微波介電陶瓷是指應用於微波頻段(主要是UHF、SHF頻段)電路中作為介質材料並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迴路等元器件，是現代通信技術的關鍵基礎材料，已在可攜式行動電話、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。應用於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ε ^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值或介質損耗tan δ以降低噪音，一般要求Qf彡3000 GHz; (3)諧振頻率的溫度係數^儘可能小以保證器件具有好的熱穩定性，一般要求_10/°C彡if彡+10 ppm/°C。國際上從20世紀30年代末就有人嘗試將電介質材料應用於微波技術。根據相對介電常數ε r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。(I)超低介電常數微波介電陶瓷，主要代表是Al203-Ti02、Y2BaCuO5, MgAl2O4和Mg2SiO4等，其ε ^彡20，品質因數QXf > 50000GHz，τ ; ^ 10 ppm/° C。主要用於微波基板以及高端微波元器件。(2)低ε r和高Q值的微波介電陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta2O5, BaO-ZnO-Ta2O5或BaO-MgO-Nb2O5, BaO-ZnO -Nb2O5系統或它們之間的複合系統MWDC材料。其ε =25 30，Q= (I 2) X 104(在f彡10 GHz下)，O0主要應用於f彡8 GHz的衛星直播等微波通信機中作為介質諧振器件。(3)中等ε JPQ值的微波介電陶瓷，主要是以BaTi409、Ba2Ti902Q和(Zr、或SrOTiO4等為基的 MWDC 材料，其 Er = 35 40，Q= (6 9) XlO3 (在 f=3 一4GHz 下)，τ; ^ 5ppm/° C。主要用於4 8 GHz頻率範圍內的微波軍用雷達及通信系統中作為介質諧振器件。(4)高ε ^而Q值較低的微波介電陶瓷，主要用於0.8 4GHz頻率範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等人相繼發現並研究了類鈣鈦礦鎢青銅型BaO — Ln2O3 — TiO2系列(Ln=La、Sm、Nd或Pr等，簡稱BLT系)、複合韓欽礦結構CaO —Li2O一Ln2O3一TiO2系列、鉛基系列材料、CahLn2xjZ3TiO3系等聞ε ! 微波介電陶瓷，其中BLT體系的BaO— Nd2O3— TiO2材料介電常數達到90，鉛基系列(Pb，Ca)ZrO3介電常數達到105。以上這些材料體系的燒結溫度一般高於1300° C，不能直接與Ag和Cu等低熔點金屬共燒形成多層陶瓷電容器。近年來，隨著低溫共燒陶瓷技術(Low TemperatureCo-fired Ceramics, LTCC)的發展和微波多層器件發展的要求，國內外的研究人員對一些低燒體系材料進行了廣泛的探索和研究，主要是採用微晶玻璃或玻璃-陶瓷複合材料體系，因低熔點玻璃相具有相對較高的介質損耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介質損耗。因此研製無玻璃相的低燒微波介質陶瓷材料是當前研究的重點。在探索與開發新型可低燒微波介電陶瓷材料的過程中，固有燒結溫度低的Li基化合物、Bi基化合物、鎢酸鹽體系化合物和碲酸鹽體系化合物等材料體系得到了廣泛關注與研究，其中大量的探索研究集中在Li基二元或三元化合物上，並且開發出了如Li2Ti03、Li3NbO4, Li2MoO4和Li2MTi3O8 (M=Mg或Zn)等系列性能良好的微波介質陶瓷等，但是可低燒的微波介質陶瓷體系仍然比較有限，這在很大程度上限制了低溫共燒技術及微波多層器件的發展。近 來國內外研究者對一些釩酸鹽如Mg3 (VO4) 2、Mg2V2OdPA2V2O7 (A = Ba、Sr或Ca)陶瓷的微波介電性能進行了報導,我們[見文獻Liang Fang, Congxue Su, HuanfuZhou, Zhenhai Wei, Hui Zhang, Novel Low-Firing Microwave Dielectric CeramicLiCa3MgV3O12 with Low Dielectric Loss, Journal of the American Ceramic Society,2013,96(3):688-690]對組成為LiCa3MgV3O12的立方石榴石結構含鋰釩酸鹽陶瓷進行了燒結特性與微波介電性能研究，結果發現該類陶瓷的燒結溫度為900° C並且可以與銀電極低溫共燒，其介電常數為10.5，Qf值達到74 700GHZ，但是諧振頻率的溫度係數^偏大(-47 ppm/°C )而無法滿足實用化的要求。為探索溫度穩定性好的可低溫燒結微波介質陶瓷，我們對立方石榴石結構釩酸鹽Ca1.具V3O12 (M=Mg或Zn)陶瓷進行了製備與微波介電性能研究，發現該類陶瓷的諧振頻率的溫度係數τ f接近零，而且綜合微波介電性能好，並可以與銀電極低溫共燒，可廣泛用於各種諧振器和濾波器等微波器件的製造，可滿足低溫共燒技術及微波多層器件的需要。

發明內容
本發明的目的是提供一種具有低損耗與良好的熱穩定性，同時燒結溫度低的釩酸鹽微波介電陶瓷材料及其製備方法。本發明的釩酸鹽微波介電陶瓷材料的化學組成為=Ca15M3V3O12，其中M為Zn和Mg中的一種。所述釩酸鹽陶瓷的製備方法具體步驟為:
(I)將純度為99.9%以上的CaC03、M0和VO3的原始粉末按Cah5M3V3O12化學式稱量配料，其中M為Zn和Mg中的一種。(2)將步驟(I)原料溼式球磨混合12小時，溶劑為蒸餾水，烘乾後在800°C大氣氣氛中預燒6小時。(3)在步驟(2)製得的粉末中添加粘結劑並造粒後，再壓製成型，最後在875、25°C大氣氣氛中燒結4小時；所述的粘結劑採用質量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，劑量佔粉末總量的3%。本發明製備的陶瓷在875_925°C燒結良好，其介電常數達到11 12，品質因數Qf值高達61000-88000GHZ，諧振頻率溫度係數小，在工業上有著極大的應用價值。
具體實施方式
實施例:
表I示出了構成本發明的不同組成與燒結溫度的6個具體實施例及其微波介電性能。其製備方法如上所述，用圓柱介質諧振器法進行微波介電性能的評價。本發明決不限於以上實施例。燒結溫度的上下限、區間取值都能實現本發明，在此不一一列舉實施例。本陶瓷可廣泛用於各種介質基板、諧振器和濾波器等微波器件的製造，可滿足移動通信、衛星通信等系統的技術需要。表1:
權利要求
1.一種釩酸鹽作為可低溫燒結微波介電陶瓷的應用，其特徵在於所述釩酸鹽的化學組成通式為=Ca1.具V3O12，其中M為Zn和Mg中的一種; 所述釩酸鹽的製備方法具體步驟為: (1)將純度為99.9%以上的CaC03、M0和VO3的原始粉末按Cah5M3V3O12化學式稱量配料，其中M為Zn和Mg中的一種； (2)將步驟(I)原料溼式球磨混合12小時，溶劑為蒸餾水，烘乾後在800°C大氣氣氛中預燒6小時； (3)在步驟(2)製得的粉末中添加粘結劑並造粒後，再壓製成型，最後在875 925°C大氣氣氛中燒結4小時；所述的粘結劑採用質量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，劑量佔粉末總量的3% ο
全文摘要
本發明公開了一種釩酸鹽微波介電陶瓷Ca1.5M3V3O12及其製備方法。釩酸鹽微波介電陶瓷材料的組成為Ca0.5M3V3O12，其中M為Zn和Mg中的一種。(1)將純度為99.9%以上的CaCO3、MO和VO3的原始粉末按Ca0.5M4V3O12化學式稱量配料，其中M為Zn和Mg中的一種；(2)將原料溼式球磨混合12小時，溶劑為蒸餾水，烘乾後在800℃大氣氣氛中預燒6小時；(3)在製得的粉末中添加粘結劑並造粒後，再壓製成型，最後在875~925℃大氣氣氛中燒結4小時；所述的粘結劑採用質量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，劑量佔粉末總量的3%。本發明製備的陶瓷在875~925℃燒結良好，其介電常數達到11～12，品質因數Qf值高達61000-88000GHz，諧振頻率溫度係數小，在工業上有著極大的應用價值。
文檔編號C04B35/495GK103232243SQ201310177098
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月14日 優先權日2013年5月14日
發明者方亮, 韋珍海, 唐瑩 申請人:桂林理工大學