低損耗低介電常數的微波介質陶瓷及其製備方法
2023-10-23 02:25:12
低損耗低介電常數的微波介質陶瓷及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種低損耗低介電常數的微波介質陶瓷及其製備方法，該微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，介電常數為10～13，品質因數Qf0為70000GHz～78000GHz，諧振頻率溫度係數為-48ppm/℃～-57ppm/℃。製備方法包括以下步驟：（1）將La2O3與B2O3或者La2O3與H3BO3混合後經球磨、固液分離和乾燥得複合粉體，複合粉體經預燒、球磨、烘乾和過篩，得到LaBO3粉體；（2）對LaBO3粉體造粒得陶瓷粉末團聚體，壓製成坯體後經排膠和燒結，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷。本發明的微波介質陶瓷具有低介電常數、低介電損耗、且可中溫燒結，製備方法工藝簡單、成本低廉、且對環境友好。
【專利說明】低損耗低介電常數的微波介質陶瓷及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電子陶瓷及其製備領域，具體涉及一種低損耗低介電常數的微波介質陶瓷及其製備方法。
【背景技術】 [0002]目前，微波介質陶瓷材料正在為微波電路的小型化、集成化和高品質化作出重要貢獻。微波介質陶瓷材料在現代通信技術特別是移動通信【技術領域】中具有基礎性地位，對其持續不斷的研究開發已成為移動通信技術發展的重要推動力。但是，常見的微波介質陶瓷材料大多具有燒結溫度高的固有缺點，極大地限制了其在微波電路與器件中的應用，在現有研究中，將固有燒結溫度高的微波介質陶瓷材料用中溫或低溫燒結多是以犧牲材料性能為代價的。因此，研究具有低損耗低介電常數的微波介質陶瓷材料對其在移動通信領域的應用與發展具有重要作用。
[0003]鑭系微波介質陶瓷通常具有優異的微波介質性能，比較典型的材料是LaAlO3和LaGaO3，此外，LaYbO3和LaLuO3等鑭系微波介質陶瓷也受到了一定的關注。這些鑭系陶瓷材料的介電常數一般小於30，而Qftl均大於10000GHz，介電損耗值較小，不足之處在於這些陶瓷材料的諧振頻率溫度係數都不為零，需要經過摻雜或者改性以調整其溫度係數，鑭系微波介質陶瓷材料的燒結溫度也比較高，例如LaAlO3的燒結溫度達到1600°C。LaBO3材料作為一類新型的鑭系微波介質陶瓷，其燒結溫度相對較低1300°C )，且具有良好的微波介電性能，另外，LaBO3陶瓷的組成元素之一硼(B)在地球中的儲量較大，相比於上述幾種鑭系陶瓷材料,成本較為低廉。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種具有低介電常數、低介電損耗、且可中溫燒結的微波介質陶瓷，還提供一種工藝簡單、成本低廉、對環境友好的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法。
[0005]為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為一種低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，所述微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，所述微波介質陶瓷的介電常數為10~13，品質因數Qf。為70000GHz~78000GHz，諧振頻率溫度係數為_48ppm/°C~_57ppm/°C。
[0006]作為一個總的技術構思，本發明還提供了一種低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟:
[0007](I)將La2O3與B2O3或者La2O3與H3BO3按照LaBO3的化學計量比進行混合，所得混合物經球磨、固液分離和乾燥得到複合粉體，將複合粉體升溫至700°C~1000°C預燒2h~8h，得到陶瓷粉體，對陶瓷粉體進行球磨、烘乾和過篩，得到LaBO3粉體；
[0008](2)對LaBO3粉體進行造粒，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成坯體，然後將坯體在400°C~500°C下進行排膠，排膠後升溫至1275°C~1325°C下燒結4h~6h，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷。[0009]上述的方法中，所述球磨優選行星球磨,球磨時間優選2h~8h,球磨介質優選氧化鋯球和去離子水、或者氧化鋯球和異丙醇。 [0010]上述的方法中，所述過篩優選過100目篩。
[0011]上述的方法中，步驟(2)所述造粒過程中所用粘接劑優選聚乙烯醇溶液。
[0012]上述的方法中，步驟(2)中所述坯體的形狀優選圓柱形，坯體的直徑優選6mm~20mm,厚度優選3mm~IOmm,採用粉末壓片機進行壓制，還體的成型壓力優選60MPa~160MPa。
[0013]上述的方法中，所述La203、B203和H3BO3的純度優選大於99.9%。
[0014]本發明的製備方法在造粒過程中，粘接劑的加入量不宜過多，應以粉體容易成型、脫模為準，加入過多的粘接劑會惡化材料的介電性能。
[0015]與現有技術相比，本發明的優點在於:
[0016](I)本發明的微波介質陶瓷具有目前已知的鑭系三元化合物中最低的介電常數和最低的介電損耗、並且燒結溫度也相對較低，是一種新型的低介電常數和低介電損耗微波介質陶瓷。
[0017](2)本發明的微波介質陶瓷由兩種常見的氧化物複合而成，由於硼(B)在地球中的儲量較大，原料來源豐富、成本低廉，且製備工藝簡單、製備過程對環境無汙染，具有廣闊的應用前景。
【具體實施方式】
[0018]以下結合具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但並不因此而限制本發明的保護範圍。
[0019]實施例1:
[0020]一種本發明的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，該微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，介電常數為IL 3，品質因數Qftl為70150GHz，諧振頻率溫度係數為-57ppm/°C。
[0021]一種上述本實施例的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟:
[0022](I)首先將純度大於99.9%的20g La2O3與4.27g B2O3混合併置於球磨罐中，然後向球磨罐中加入氧化鋯球和異丙醇，行星球磨4h後進行固液分離和乾燥，得到混合均勻的複合粉體；將複合粉體升溫至850°C預燒2h，升溫速率為5°C /min (一般優選5°C /min~IO0C /min，下同)，得到陶瓷粉體，將陶瓷粉體置於球磨罐中，並向球磨罐中加入氧化鋯球和去離子水，對陶瓷粉體行星球磨4h後經烘乾、研磨、過100目篩，得到LaBO3粉體；
[0023](2)對LaBO3粉體進行造粒，以質量分數5%的聚乙烯醇溶液為粘接劑，聚乙烯醇溶液以質量比為2: I的水和乙醇作為混合溶劑，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成Φ8ι?πιΧ3.9mm的圓柱形還體,成型壓力為120MPa,將所得還體於400°C下排膠Ih,然後以5°C /min的升溫速率(一般優選5°C /min~10°C /min,下同)升溫至1300°C燒結4h,得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷LaB03。
[0024]對上述本實施例的方法所製備的微波介質陶瓷進行檢測，檢測方法如下:
[0025]1.樣品的直徑和厚度使用遊標卡尺進行測量。
[0026]2.使用安捷倫(Agilent N5230C)網絡分析儀，採用開式腔平行板法測量上述本實施例製備的微波介質陶瓷的介電常數(ε J，然後將測試夾具放入電熱恆溫箱中，通過改變恆溫箱的溫度對樣品的諧振頻率溫度係數(τ f)進行測量，測試的溫度區間為20°C至80°C。
[0027]3.採用矢量網絡分析儀測量上述本實施例製備的微波介質陶瓷的介電損耗(以品質因數Qftl代表)。
[0028]經檢測可知，上述本實施例方法製備的微波介質陶瓷的微波介電性能為:介電常數 ε r=ll.3，QfQ=70150GHz，諧振頻率溫度係數 τ f=_57ppm/°C。
[0029]實施例2:
[0030]一種本發明的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，該微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，介電常數為11.5，品質因數Qftl為72210GHz，諧振頻率溫度係數為-54ppm/°C。
[0031]一種上述本實施例的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟:
[0032](I)首先將純度大於99.9%的20g La2O3與4.27g B2O3混合併置於球磨罐中，然後向球磨罐中加入氧化鋯球和異丙醇，行星球磨4h後進行固液分離和乾燥，得到混合均勻的複合粉體，將複合粉體升溫至900°C預燒4h，升溫速率為5°C /min，得到陶瓷粉體，將陶瓷粉體置於球磨罐中，並向球磨罐中加入氧化鋯球和去離子水，對陶瓷粉體行星球磨4h後經烘乾、研磨、過100目篩，得到LaBO3粉體；
[0033](2)對LaBO3粉體進行造粒，以質量分數5%的聚乙烯醇溶液為粘接劑，聚乙烯醇溶液以質量比為2: I的水和乙醇作為混合溶劑，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成C>16mmX7.3mm的圓柱形還體,成型壓力為80MPa,將所得還體於450°C下排膠Ih,然後以5°C /min的升溫速率升溫至1325°C燒結4h，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷LaBO30
[0034] 經檢測可知，上述本實施例方法製備的微波介質陶瓷的微波介電性能為:ε r=ll.5，Qf0=72210GHz, τ f=_54ppm/。。。
[0035]實施例3:
[0036]一種本發明的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，該微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，介電常數為11.3，品質因數Qftl為70940GHz，諧振頻率溫度係數為-55ppm/°C。
[0037]一種上述本實施例的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟:
[0038](I)首先將純度大於99.9%的20g La2O3與4.27g B2O3混合併置於球磨罐中，然後向球磨罐中加入氧化鋯球和異丙醇，球磨6h後進行固液分離和乾燥，得到混合均勻的複合粉體，將複合粉體升溫至850°C預燒2h，升溫速率為5°C /min,得到陶瓷粉體，將陶瓷粉體置於球磨罐中，並向球磨罐中加入氧化鋯球和去離子水，球磨6h後經烘乾、研磨、過100目篩，得到LaBO3粉體；
[0039](2)對LaBO3粉體進行造粒，以質量分數5%的聚乙烯醇溶液為粘接劑，聚乙烯醇溶液以質量比為2: I的水和乙醇作為混合溶劑，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成Φ 16mmX8.2mm的圓柱形還體，成型壓力為80MPa,將所得還體於450°C下排膠Ih,然後以5°C /min的升溫速率升溫至1275°C燒結4h，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷LaBO30
[0040]經檢測可知，上述本實施例方法製備的微波介質陶瓷的微波介電性能為:εr=ll.3，Qf0=70940GHz, τf=-55ppm/°C。
[0041]實施例4:
[0042]一種本發明的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，該微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，介電常數為11.6，品質因數Qftl為76540GHz，諧振頻率溫度係數為_49ppm/°C。
[0043]一種上述本實施例的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟:
[0044](I)首先將純度大於99.9%的20g La2O3與4.27g B2O3混合併置於球磨罐中，然後向球磨罐中加入氧化鋯球和異丙醇，球磨6h後進行固液分離和乾燥，得到混合均勻的複合粉體，將複合粉體升溫至850°C預燒4h，升溫速率為5°C /min，得到陶瓷粉體，將陶瓷粉體置於球磨罐中，並向球磨罐中加入氧化鋯球和去離子水，球磨6h後經烘乾、研磨、過100目篩，得到LaBO3粉體；
[0045](2)對LaBO3粉體進行造粒，以質量分數5%的聚乙烯醇溶液為粘接劑，聚乙烯醇溶液以質量比為2: I的水和乙醇作為混合溶劑，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成C>16mmX7.6mm的圓柱形還體,成型壓力為80MPa,將所得還體於450°C下排膠Ih,然後以5°C /min的升溫速率升溫至1300°C燒結6h，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷LaBO30
[0046]經檢測可知，上述本實施例方法製備的微波介質陶瓷的微波介電性能為:εr=ll.6，Qf0=76540GHz, τf=-49ppm/°C。
[0047]實施例5:
[0048]一種本發明的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，該微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，介電常數為11.5，品質因數Qftl為73210GHz，諧振頻率溫度係數為-56ppm/°C。
[0049]一種上述本實施例的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟:
[0050](I)首先將純度大於99.9%的20g La2O3與4.27g B2O3混合併置於球磨罐中，然後向球磨罐中加入氧化鋯球和異丙醇，球磨6h後進行固液分離和乾燥，得到混合均勻的複合粉體，將複合粉體升溫至900°C預燒2h，升溫速率為5°C /min,得到陶瓷粉體，將陶瓷粉體置於球磨罐中，並向球磨罐中加入氧化鋯球和去離子水，球磨6h後經烘乾、研磨、過100目篩，得到LaBO3粉體；
[0051](2)對LaBO3粉體進行造粒，以質量分數5%的聚乙烯醇溶液為粘接劑，聚乙烯醇溶液以質量比為2: I的水和乙醇作為混合溶劑，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成Φ 16臟\81111]1的圓柱形還體,成型壓力為8010^,將所得還體於4501€下排膠Ih,然後以5°C /min的升溫速率升溫至1275°C燒結4h，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷LaB03。
[0052]經檢測可知，上述本實施例方法製備的微波介質陶瓷的微波介電性能為:ε r=ll.5，Qf0=73210GHz, τ f=-56ppm/。。。
[0053]實施例6:
[0054]一種本發明的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，該微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，介電常數為11.8，品質因數Qftl為74813GHz，諧振頻率溫度係數為-50ppm/°C。
[0055]一種上述本實施例的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟:、[0056](I)首先將純度大於99.9%的20g La2O3與4.27g B2O3混合併置於球磨罐中，然後向球磨罐中加入氧化鋯球和異丙醇，將所得混合物球磨6h後固液分離，經乾燥後得到複合粉體，將複合粉體升溫至900°C預燒8h，升溫速率為5°C /min，得到陶瓷粉體，將陶瓷粉體置於球磨罐中，並向球磨罐中加入氧化鋯球和去離子水，球磨6h後經烘乾、研磨、過100目篩，得到LaBO3粉體；
[0057](2)對LaBO3粉體進行造粒，以質量分數5%的聚乙烯醇溶液為粘接劑，聚乙烯醇溶液以質量比為2: I的水和乙醇作為混合溶劑，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成C>12mmX6.1mm的圓柱形還體,成型壓力為IOOMPa,將所得還體於450°C下排膠Ih,然後以5°C /min的升溫速率升溫至1300°C燒結6h，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷LaBO30
[0058]經檢測可知，上述本實施例方法製備的微波介質陶瓷的微波介電性能為:ε r=ll.8, Qf0=74813GHz, τ f=-50ppm/°C。
[0059]實施例7:
[0060]一種本發明的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，該微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，介電常數為11.6，品質因數Qftl為75210GHz，諧振頻率溫度係數為-52ppm/°C。
[0061]一種上述本實施例的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟:
[0062](I)首先將純度大於99.9%的20g La2O3與4.27g B2O3混合併置於球磨罐中，然後向球磨罐中加入氧化鋯球和異丙醇，球磨8h後進行固液分離和乾燥，得到混合均勻的複合粉體，將複合粉體升溫至850°C預燒4h，升溫速率為5°C /min，得到陶瓷粉體，將陶瓷粉體置於球磨罐中，並向球磨罐中加入氧化鋯球和去離子水，球磨8h後經烘乾、研磨、過100目篩，得到LaBO3粉體；
[0063](2)將LaBO3粉體進行造粒，以質量分數5%的聚乙烯醇溶液為粘接劑，聚乙烯醇溶液以質量比為2: I的水和乙醇作為混合溶劑，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成C>16mmX7.7mm的圓柱形還體,成型壓力為120MPa,將所得還體於500°C下排膠Ih,然後以5°C /min的升溫速率升溫至1275°C燒結4h，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷LaBO30
[0064]經檢測可知，上述本實施例方法製備的微波介質陶瓷的微波介電性能為:ε r=ll.6，Qf0=75210GHz, τ f=-52ppm/°C ?
[0065]實施例8:
[0066]一種本發明的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，該微波介質陶瓷由LaBOdi成，該微波介質陶瓷的介電常數為11.7，品質因數QftlS 77560GHz，諧振頻率溫度係數為 _48ppm/°C。
[0067]一種上述本實施例的低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟:
[0068](I)首先將純度大於99.9%的20g La2O3與4.27g B2O3混合併置於球磨罐中，然後向球磨罐中加入氧化鋯球和異丙醇，球磨8h後進行固液分離和乾燥，得到混合均勻的複合粉體，將複合粉體升溫至900°C預燒6h，升溫速率為5°C /min，得到陶瓷粉體，將陶瓷粉體置於球磨罐中，並向球磨罐中加入氧化鋯球和去離子水，球磨8h後經烘乾、研磨、過100目篩，得到LaBO3粉體；
[0069](2)對LaBO3粉體進行造粒，以質量分數5%的聚乙烯醇溶液為粘接劑，聚乙烯醇溶液以質量比為2: I的水和乙醇作為混合溶劑，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成Φ20ι?πιΧ9.6mm的圓柱形還體，成型壓力為80MPa,將所得還體於450°C下排膠Ih,然後以5°C /min的升溫速率升溫至1300°C燒結6h，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷LaBO30
[0070]經檢測可知，上述本實施例方法製備的微波介質陶瓷的微波介電性能為:εr=ll.7，Qf0=77560GHz, τf=-48ppm/°C。
[0071 ] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例。凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應該指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下的改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種低損耗低介電常數的微波介質陶瓷，其特徵在於，所述微波介質陶瓷的化學式為LaBO3，所述微波介質陶瓷的介電常數為10~13，品質因數Qftl為70000GHz~78000GHz，諧振頻率溫度係數為-48ppm/°C~-57ppm/°C。
2.一種低損耗低介電常數的微波介質陶瓷的製備方法，包括以下步驟: (1)將La2O3與B2O3或者La2O3與H3BO3按照LaBO3的化學計量比進行混合，所得混合物經球磨、固液分離和乾燥得到複合粉體，將複合粉體升溫至700°C~1000°C預燒2h~8h，得到陶瓷粉體，對陶瓷粉體進行球磨、烘乾和過篩，得到LaBO3粉體； (2)對LaBO3粉體進行造粒，得到陶瓷粉末團聚體，將陶瓷粉末團聚體壓製成坯體，然後將坯體在400°C~500°C下進行排膠，排膠後升溫至1275°C~1325°C下燒結4h~6h，得到低損耗低介電常數的微波介質陶瓷。
3.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述球磨為行星球磨，球磨時間為2h~8h，球磨介質為氧化鋯球和去離子水、或者氧化鋯球和異丙醇。
4.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述過篩為過100目篩。
5.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，步驟(2)所述造粒過程中所用粘接劑為聚乙烯醇溶液。
6.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中所述坯體的形狀為圓柱形，還體的直徑為6mm~20mm,厚度為3mm~IOmm,還體的成型壓力為60MPa~160MPa。
7.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述La203、B2O3和H3BO3的純度均大於 99.9%ο.
【文檔編號】C04B35/622GK103467098SQ201310384657
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】張為軍, 劉卓峰, 陳興宇, 白書欣, 堵永國 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學