本发明公开了一种低损耗高介电微波陶瓷,其组成通式为:Sr
1.一种低损耗高介电微波陶瓷,其特征是:其组成通式为:Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃,其中:0≤x≤0.1,0.6≤y≤0.7,符号M和E均为La,xa0Sm,xa0Nd,xa0Dy,xa0Gd稀土元素中的一种。
2.一种低损耗高介电微波陶瓷的制备方法,其特征是:包括如下步骤:(1)合成Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃粉体:按原料以SrCO₃:CaCO₃:M₂O₃:Na₂CO₃:E₂O₃:TiO₂xa0=xa01-x
-y:0.6y:0.4y/3:0.25x:0.25x:1摩尔比例混合;(2)球磨12小时后烘干过筛,在1150°C下保温4小时进行预烧合成,把所得预合成烧粉体进行二次球磨过筛,获得Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃粉体;(3)压制成型:把步骤(2)获得的Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃粉体加入聚乙烯醇(PVA)混合均匀,烘干,然后在成型机上压制成圆柱形坯体;(4)烧结:将步骤(3)所得坯体在1350~1500°C温度下保温4小时烧结成瓷,即得低损耗高介电Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃微波陶瓷。技术领域
本发明涉及低损耗高介电微波陶瓷,具体是一种低损耗高介电Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃微波陶瓷及其制备方法。
背景技术
随着高新科技的快速发展,通信技术也在不断地进步,尤其是移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统(GPS、蓝牙技术以及无线局域网)等现代通信得到了飞速发展,对小型化、高性能化的微波电路和微波器件的需求量日益增加。微波信号的频率极高,波长极短,信息容量大,有强方向性、穿透性和吸收能力,并且微波设备可实现通信的保密性,十分有利于在通信技术领域和军事领域中的应用。微波陶瓷作为现代通信中的一种关键材料,能够应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段)电路中作为介质材料实现一种或多种功能。由于微波介质陶瓷介质谐振器等微波元器件具有体积小、质量轻、性能稳定、价格便宜等优点,它克服了传统的金属谐振腔和金属波导的体积与重量过大等缺点,有利于微波电路的集成化、模块化,在近二十多年来得到迅速的发展。评价微波介质陶瓷的性能主要有介电常数ε,品质因子(Q)与谐振频率(f)的乘积Q_f值和谐振频率温度系数τ_f。根据微波在介质体内的传播理论,在共振系的电介质内,电磁波的波长λ与介电常数的ε_r的平方根成反比。在同样的谐振频率f下,ε越大,波长就越小,相应的介质谐振器的尺寸就越小,从而电磁能量也越能集中于介质内,受周围环境影响也越小。因此高介电常数既有利于介质谐振器的小型化,又有利于其高品质化。然而,在已有的高介电微波陶瓷材料中,(Ba,Sr,Ca)TiO₃系列陶瓷具有很高的介电常数,甚至可达到数百以上,但是谐振温度系数高达正的千级甚至数千级以上且损耗较大,基本没有实际使用价值。在现有的趋于实用化且介电常数高于85的高介电微波陶瓷材料中,类钙钛矿钨青铜结构的Ba-Nd-Sm-Ti-O体系被认为是很有前景的一类,通过调节其介电常数在100左右可获得近零的谐振温度系数并保持合适的品质因子,然而要在现有微波介质陶瓷中进一步提高介电常数且保持近零的谐振温度系数和保持适中的品质因子则显得非常困难。要想获得更高的微波介电常数并使损耗和谐振频率温度系数降低,钙钛矿CaTiO₃体系(约160的微波介电常数,约5000GHz的Q_f值,约700ppm/°C的谐振温度系数)是当前较为合适的一类,研究有了较多的研究,也获得较多的成果。然而,由于其高的τ_f值,通过联合高负谐振温度系数的Li_0.5Ln_0.5TiO₃(Ln=Nd,Sm)体系固溶并进一步提高介电常数至接近CaTiO₃本身则非常困难,因而非常需要找到一类介电常数较高,Q_f值与CaTiO₃相近、τ_f值相对CaTiO₃更低的高介电微波陶瓷体系。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够替代CaTiO₃的高介电常数、谐振频率温度系数相对较低、损耗较低、制备工艺简单的低损耗高介电Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃微波陶瓷及其制备方法。实现本发明目的的技术方案是:一种低损耗高介电微波陶瓷,其组成通式为:Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃,其中:0≤x≤0.1,0.6≤y≤0.7,符号M和E均为La,Sm,Nd,Dy,Gd稀土元素中的一种。一种低损耗高介电微波陶瓷的制备方法,包括如下步骤:(1)合成Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃粉体:按原料以SrCO₃:CaCO₃:M₂O₃:Na₂CO₃:E₂O₃:TiO₂=1-x-y:0.6y:0.4y/3:0.25x:0.25x:1摩尔比例混合;(2)球磨12小时后烘干过筛,在1150°C下保温4小时进行预烧合成,把所得预合成烧粉体进行二次球磨过筛,获得Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃粉体;(3)压制成型:把步骤(2)获得的Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃粉体加入聚乙烯醇(PVA)混合均匀,烘干,然后在成型机上压制成圆柱形坯体;(4)烧结:将步骤(3)所得坯体在1350~1500°C温度下保温4小时烧结成瓷,即得低损耗高介电Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃微波陶瓷。本发明制备的低损耗高介电Sr_1-x-y(Ca_0.6M_0.8/3)_y(Na_0.5E_0.5)_xTiO₃微波陶瓷,性能测试表明:相对于CaTiO₃微波陶瓷,能够获得较好的微波介电性能:介电常数ε_r介于150~180,谐振频率温度系数τ_f介于300~450ppm/°C,Q_f介于6500~12000GHz。有望替代CaTiO₃体系用于制备更高介电常数的温度稳定型微波陶瓷。
附图说明
图1为本发明实施例1中样品的扫描电镜照片。图2为本发明实施例2中样品的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面通过6个实施例进一步阐明本发明的实质特点和显著进步,但本发明绝非仅限于实施例所述的实施例。实施例1:一种低损耗高介电微波陶瓷,其组成通式为:Sr_0.4(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.6TiO₃;其制备方法,包括如下步骤:(1)合成Sr_0.4(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.6TiO₃粉体:按原料以SrCO₃:CaCO₃:Nd₂O₃:TiO₂=0.4:0.36:0.08:1摩尔比例混合;(2)球磨12小时后烘干过筛,在1150°C下保温4小时进行预烧合成,把所得预合成烧粉体进行二次球磨过筛,获得Sr_0.4(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.6TiO₃粉体;(3)压制成型:把步骤(2)获得的Sr_0.4(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.6TiO₃粉体加入聚乙烯醇(PVA)混合均匀,烘干,然后在成型机上压制成圆柱形坯体;(4)烧结:将步骤(3)所得坯体在1500°C温度下保温4小时烧结成瓷,即得低损耗高介电Sr_0.4(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.6TiO₃微波陶瓷。性能测试表明:介电常数ε_r为180,谐振频率温度系数τ_f为450ppm/°C,Q_f为6500GHz。实施例2:一种低损耗高介电微波陶瓷,其组成通式为:Sr_0.2(Ca_0.6La_0.8/3)_0.7(Na_0.5La_0.5)_0.1TiO₃;其制备方法,包括如下步骤:(1)合成Sr_0.2(Ca_0.6La_0.8/3)_0.7(Na_0.5La_0.5)_0.1TiO₃粉体:按原料以SrCO₃:CaCO₃:La₂O₃:Na₂CO₃:TiO₂=0.2:0.42:(1.13/6):0.025:1摩尔比例混合;(2)球磨12小时后烘干过筛,在1150°C下保温4小时进行预烧合成,把所得预合成烧粉体进行二次球磨过筛,获得Sr_0.2(Ca_0.6La_0.8/3)_0.7(Na_0.5La_0.5)_0.1TiO₃粉体;(3)压制成型:把步骤(2)获得的Sr_0.2(Ca_0.6La_0.8/3)_0.7(Na_0.5La_0.5)_0.1TiO₃粉体加入聚乙烯醇(PVA)混合均匀,烘干,然后在成型机上压制成圆柱形坯体;(4)烧结:将步骤(3)所得坯体在1350°C温度下保温4小时烧结成瓷,即得低损耗高介电Sr_0.2(Ca_0.6La_0.8/3)_0.7(Na_0.5La_0.5)_0.1TiO₃微波陶瓷。性能测试表明:介电常数ε_r为150,谐振频率温度系数τ_f为300ppm/°C,Q_f为12000GHz。实施例3:一种低损耗高介电微波陶瓷,其组成通式为:Sr_0.3(Ca_0.6Sm_0.8/3)_0.65(Na_0.5Nd_0.5)_0.05TiO₃;其制备方法,包括如下步骤:(1)合成Sr_0.3(Ca_0.6Sm_0.8/3)_0.65(Na_0.5Nd_0.5)_0.05TiO₃粉体:按原料以SrCO₃:CaCO₃:Sm₂O₃:Na₂CO₃:Nd₂O₃:TiO₂=0.3:0.39:0.26/3:0.0125:0.0125:1摩尔比例混合;(2)球磨12小时后烘干过筛,在1150°C下保温4小时进行预烧合成,把所得预合成烧粉体进行二次球磨过筛,获得Sr_0.3(Ca_0.6Sm_0.8/3)_0.65(Na_0.5Nd_0.5)_0.05TiO₃粉体;(3)压制成型:把步骤(2)获得的Sr_0.3(Ca_0.6Sm_0.8/3)_0.65(Na_0.5Nd_0.5)_0.05TiO₃粉体加入聚乙烯醇(PVA)混合均匀,烘干,然后在成型机上压制成圆柱形坯体;(4)烧结:将步骤(3)所得坯体在1400°C温度下保温4小时烧结成瓷,即得低损耗高介电Sr_0.3(Ca_0.6Sm_0.8/3)_0.65(Na_0.5Nd_0.5)_0.05TiO₃微波陶瓷。性能测试表明:介电常数ε_r为160,谐振频率温度系数τ_f为400ppm/°C,Q_f为8000GHz。实施例4:一种低损耗高介电微波陶瓷,其组成通式为:Sr_0.3(Ca_0.6Dy_0.8/3)_0.65(Na_0.5Sm_0.5)_0.05TiO₃;其制备方法,包括如下步骤:(1)合成Sr_0.3(Ca_0.6D_y0.8/3)_0.65(Na_0.5Sm_0.5)_0.05TiO₃粉体:按原料以SrCO₃:CaCO₃:Dy₂O₃:Na₂CO₃:Sm₂O₃:TiO₂=0.3:0.39:0.26/3:0.0125:0.0125:1摩尔比例混合;(2)球磨12小时后烘干过筛,在1150°C下保温4小时进行预烧合成,把所得预合成烧粉体进行二次球磨过筛,获得Sr_0.3(Ca_0.6D_y0.8/3)_0.65(Na_0.5Sm_0.5)_0.05TiO₃粉体;(3)压制成型:把步骤(2)获得的Sr_0.3(Ca_0.6D_y0.8/3)_0.65(Na_0.5Sm_0.5)_0.05TiO₃粉体加入聚乙烯醇(PVA)混合均匀,烘干,然后在成型机上压制成圆柱形坯体;(4)烧结:将步骤(3)所得坯体在1450°C温度下保温4小时烧结成瓷,即得低损耗高介电Sr_0.3(Ca_0.6Dy_0.8/3)_0.65(Na_0.5Sm_0.5)_0.05TiO₃微波陶瓷。性能测试表明:介电常数ε_r为168,谐振频率温度系数τ_f为380ppm/°C,Q_f为8200GHz。实施例5:一种低损耗高介电微波陶瓷,其组成通式为:Sr_0.3(Ca_0.6Gd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Dy_0.5)_0.05TiO₃;其制备方法,包括如下步骤:(1)合成Sr_0.3(Ca_0.6Gd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Dy_0.5)_0.05TiO₃粉体:按原料以SrCO₃:CaCO₃:Gd₂O₃:Na₂CO₃:Dy₂O₃:TiO₂=0.3:0.39:0.26/3:0.0125:0.0125:1摩尔比例混合;(2)球磨12小时后烘干过筛,在1150°C下保温4小时进行预烧合成,把所得预合成烧粉体进行二次球磨过筛,获得Sr_0.3(Ca_0.6Gd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Dy_0.5)_0.05TiO₃粉体;(3)压制成型:把步骤(2)获得的Sr_0.3(Ca_0.6Gd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Dy_0.5)_0.05TiO₃粉体加入聚乙烯醇(PVA)混合均匀,烘干,然后在成型机上压制成圆柱形坯体;(4)烧结:将步骤(3)所得坯体在1450°C温度下保温4小时烧结成瓷,即得低损耗高介电Sr_0.3(Ca_0.6Gd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Dy_0.5)_0.05TiO₃微波陶瓷。性能测试表明:介电常数ε_r为162,谐振频率温度系数τ_f为360ppm/°C,Q_f为8800GHz。实施例6:一种低损耗高介电微波陶瓷,其组成通式为:Sr_0.3(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Gd_0.5)_0.05TiO₃;其制备方法,包括如下步骤:(1)合成Sr_0.3(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Gd_0.5)_0.05TiO₃粉体:按原料以SrCO₃:CaCO₃:Nd₂O₃:Na₂CO₃:Gd₂O₃:TiO₂=0.3:0.39:0.26/3:0.0125:0.0125:1摩尔比例混合;(2)球磨12小时后烘干过筛,在1150°C下保温4小时进行预烧合成,把所得预合成烧粉体进行二次球磨过筛,获得Sr_0.3(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Gd_0.5)_0.05TiO₃粉体;(3)压制成型:把步骤(2)获得的Sr_0.3(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Gd_0.5)_0.05TiO₃粉体加入聚乙烯醇(PVA)混合均匀,烘干,然后在成型机上压制成圆柱形坯体;(4)烧结:将步骤(3)所得坯体在1400°C温度下保温4小时烧结成瓷,即得低损耗高介电Sr_0.3(Ca_0.6Nd_0.8/3)_0.65(Na_0.5Gd_0.5)_0.05TiO₃微波陶瓷。性能测试表明:介电常数ε_r为165,谐振频率温度系数τ_f为410ppm/°C,Q_f为8600GHz。对比样
微波陶瓷主要成分
烧结温度
ε_r
τf(ppm/°C)
Q_f(GHz)
对比样1
CaTiO₃
1500°C
160
700
5000
对比样2
Ca_0.8Sr_0.2TiO₃
1500°C
180
900
3000