低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，尤其涉及一種具有低介電常數(shù)和高 品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 微波介質(zhì)陶瓷材料是介質(zhì)諧振器、濾波器、振蕩器、雙工器、天線、介質(zhì)基板等在內(nèi) 的新型微波電路和器件的核心基礎材料，在現(xiàn)代微波通信和衛(wèi)星導航系統(tǒng)和設備中有廣泛 的應用。近年來，由于微波技術設備向小型化、集成化、低功耗，尤其是向民用的大批量、 低價格化方向迅速發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出一大批適用于各個微波頻段的微波介質(zhì)陶瓷材 料。為克服不同微波頻段應用帶來的眾多問題，亟需開發(fā)具備高品質(zhì)因數(shù)、中低介電常數(shù) (< 20)和頻率溫度系數(shù)近零可調(diào)的微波介質(zhì)材料體系。低介電損耗即高的品質(zhì)因數(shù)有利 于降低器件的功耗和提高工作頻率的可選擇性，較低的介電常數(shù)能減小介質(zhì)陶瓷與金屬電 極之間的交互耦合損耗，而近零的頻率溫度系數(shù)有助于提高器件的工作穩(wěn)定性。
[0003] 鋰鈦系微波介質(zhì)陶瓷材料通常具有優(yōu)異的微波介電性能，比較典型的材料體系如 Li2MgTi30s、Li2ZnTi30 s、Li2Gn1 xC〇x) Ti3O8,此外 Li2MgTiO4類鋰鈦系微波介質(zhì)陶瓷也受到了 國內(nèi)外科研工作者的關注。這些鋰鈦系微波介質(zhì)材料的介電常數(shù)一般小于30,而品質(zhì)因數(shù) 均大于20, 000GHz，介電損耗值較小，不足之處在于這些陶瓷材料的諧振頻率溫度系數(shù)較 大，燒結溫度較高。其中，Li2NiTiO4材料作為一類新型的鋰鈦系微波介質(zhì)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，Li2NiTiO4陶瓷的組成元素在地 球中儲量較大，故生產(chǎn)成本較低，適合規(guī)?；a(chǎn)以滿足微波器件用關鍵材料需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的，是克服現(xiàn)有技術的諧振頻率溫度系數(shù)較大，燒結溫度較高的不足， 提供一種具有高品質(zhì)因數(shù)、較低介電常數(shù)、且燒結溫度不高的鋰鈦系新型微波介質(zhì)陶瓷，可 用于介質(zhì)諧振器、濾波器、雙工器及天線等微波電子器件中，以降低器件功耗。
[0005] 本發(fā)明通過如下技術方案予以實現(xiàn)。
[0006] -種低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，其化學計量式為LiNia5Ti a5O2;
[0007] 該低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷采用簡單的傳統(tǒng)固相反應法制備，具體步 驟如下：
[0008] (1)將化學原料碳酸鋰Li2C03、氧化鎳NiO、二氧化鈦TiO 2分別按LiNi Q.5Tia502化 學計量比稱量配料；由于碳酸鋰高溫下易揮發(fā)，故需過量稱量5%摩爾的碳酸鋰；
[0009] (2)將步驟⑴配制的粉料混合后放入球磨罐中，加入氧化鋯球和酒精，球磨12小 時；再將球磨后的原料烘干，過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料；
[0010] (3)將步驟⑵處理后的粉料于950°C下預燒，保溫3小時，合成熔塊；
[0011] (4)在步驟（3)預燒處理后的熔塊中外加質(zhì)量百分比含量為4. 05 %的聚乙烯醇即 PVA粉末，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和酒精，球磨24小時，烘干后過80目篩，壓制成型為 坯體；
[0012] (5)將步驟⑷成型后的坯體于1200~1300°C燒結，保溫4~8小時，制成具有 低介電常數(shù)和高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷材料；
[0013] 所述步驟（1)的化學原料Li2C03、NiO和TiO 2的純度均大于99. 9%。
[0014] 所述步驟（2)的陶瓷粉體與氧化鋯球、酒精的質(zhì)量比為I : 1 : 1.5。
[0015] 所述步驟（4)的陶瓷粉體與氧化鋯球、酒精的質(zhì)量比為1 : 1.5 : 2。
[0016] 所述步驟（2)或步驟（4)采用行星式球磨機進行球磨，球磨機轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分。
[0017] 所述步驟（2)或步驟（4)于紅外干燥箱中烘干，烘干溫度為KKTC。
[0018] 所述步驟⑷的坯體為Φ IOmmX 5mm的圓柱體，采用粉末壓片機壓制成型，成型壓 力為 200MPa。
[0019] 本發(fā)明所提供的新型鈦酸鎳鋰微波介質(zhì)陶瓷，具有高的品質(zhì)因數(shù)Q值及相對較低 的介電常數(shù)，是目前已知的微波介電性能優(yōu)異的鋰鈦系微波介質(zhì)陶瓷，并且燒結溫度較低， 可作為諧振器、振蕩器、濾波器和介質(zhì)天線等微波電子器件的關鍵核心材料。本發(fā)明所用原 料在地球中儲量較大，原料來源豐富、成本低廉，同時制備工藝簡單，過程無污染，具有廣闊 的應用前景。
【具體實施方式】
[0020] 下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，實例中所用原料均為市售分析純試 劑（純度大于99. 9% )，具體實施例如下。
[0021] 實施例1
[0022] (1)將分析純化學原料碳酸鋰（Li2CO3)、氧化鎳（NiO)、二氧化鈦（TiO 2)分別按摩 爾比1.05 : I : 1稱量配料；
[0023] (2)將上述配制的粉料混合后放入球磨罐中，加入氧化鋯球和酒精，粉料、氧化鋯 球和酒精的質(zhì)量比為I : I : 1. 5,在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分；將 球磨后的原料置于紅外干燥箱中于l〇〇°C下烘干，烘干后過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料；
[0024] (3)將上述混合均勻的粉料于950°C下預燒3小時，合成LiNia5Ti a5O2熔塊；
[0025] (4)在預燒后的熔塊中外加質(zhì)量百分比為4. 05%的聚乙烯醇，放入球磨罐中，加 入氧化鋯球和酒精，粉料、氧化鋯球和酒精的質(zhì)量比為1 : 1.5 : 2,球磨24小時，轉(zhuǎn)速為 600轉(zhuǎn)/分；在1500W紅外干燥箱中100°C烘干后過80目篩，再用粉末壓片機以200MPa的 壓力壓成Φ IOmmX 5mm的圓柱形生還；
[0026] (5)將上述成型后的坯體在高溫爐中于1200°C燒結6小時，得到低介電常數(shù)高品 質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0027] 實施例2
[0028] 在實施例1的步驟（5)中，將圓柱形生坯在1225°C燒結6小時，其他步驟與實施例 1相同，得到低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0029] 實施例3
[0030] 在實施例1的步驟（5)中，將圓柱形生坯在1250°C燒結6小時，其他步驟與實施例 1相同，得到低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0031] 實施例4
[0032] 在實施例1的步驟（5)中，將圓柱形生坯在1275°C燒結6小時，其他步驟與實施例 1相同，得到低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0033] 實施例5
[0034] 在實施例1的步驟（5)中，將圓柱形生坯在1300°C燒結6小時，其他步驟與實施例 1相同，得到低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0035] 實施例6
[0036] 在實施例1的步驟（5)中，將圓柱形生坯在1275°C燒結4小時，其他步驟與實施例 1相同，得到低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0037] 實施例7
[0038] 在實施例1的步驟（5)中，將圓柱形生坯在1275°C燒結8小時，其他步驟與實施例 1相同，得到低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0039] 發(fā)明人將實施例1~7制備的微波介質(zhì)陶瓷圓柱通過Agilent 8720ES網(wǎng)絡分析 儀、閉式腔諧振法配合ESPEC MC-710F小型高溫箱測試其微波介電性能。
[0040] 具體實施例的主要工藝參數(shù)及其微波介電性能詳見表1。
[0041 ]表 1
[0043] 本發(fā)明不局限于上述實施例，一些細節(jié)的變化是可能的，但這并不因此違背本發(fā) 明的范圍和精神。
【主權項】
1. 一種低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，其化學計量式為LiNi a5Tia502。 該低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷采用簡單的傳統(tǒng)固相反應法制備，具體步驟如 下： (1) 將化學原料碳酸鋰Li2CO3、氧化鎳NiO、二氧化鈦TiOj別按LiNi a Jia5O2化學計 量比稱量配料；由于碳酸鋰高溫下易揮發(fā)，故需過量稱量5%摩爾的碳酸鋰； (2) 將步驟（1)配制的粉料混合后放入球磨罐中，加入氧化鋯球和酒精，球磨12小時； 再將球磨后的原料烘干，過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料； (3) 將步驟（2)處理后的粉料于950°C下預燒，保溫3小時，合成熔塊； (4) 在步驟（3)預燒處理后的熔塊中外加質(zhì)量百分比含量為4. 05%的聚乙烯醇即PVA 粉末，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和酒精，球磨24小時，烘干后過80目篩，壓制成型為坯 體； (5) 將步驟（4)成型后的坯體于1200~1300°C燒結，保溫4~8小時，制成具有低介 電常數(shù)和高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷材料。2. 根據(jù)權利要求1所述的低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步 驟（1)的化學原料Li2C0 3、NiO和TiO2的純度均大于99. 9%。3. 根據(jù)權利要求1所述的低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步 驟（2)的陶瓷粉體與氧化鋯球、酒精的質(zhì)量比為I : 1 : 1.5。4. 根據(jù)權利要求1所述的低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步 驟（4)的陶瓷粉體與氧化鋯球、酒精的質(zhì)量比為1 : 1.5 : 2。5. 根據(jù)權利要求1所述的低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步 驟（2)或步驟（4)采用行星式球磨機進行球磨，球磨機轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分。6. 根據(jù)權利要求1所述的低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步 驟（2)或步驟（4)于紅外干燥箱中烘干，烘干溫度為KKTC。7. 根據(jù)權利要求1所述的低介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步 驟⑷的坯體為OlOmmX 5mm的圓柱體，采用粉末壓片機壓制成型，成型壓力為200MPa〇
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有低介電常數(shù)和高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷，其化學計量式為LiNi0.5Ti0.5O2；先將化學原料Li2CO3、NiO和TiO2分別稱量配料；由于Li2CO3高溫下易揮發(fā)，故需過量稱量5％摩爾Li2CO3；再經(jīng)球磨、烘干，過篩，于950℃下預燒，合成熔塊；再經(jīng)二次球磨，烘干后過篩，壓制成型為坯體；坯體于1200～1300℃燒結，保溫4～8小時，制成具有低介電常數(shù)和高品質(zhì)因數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷材料。本發(fā)明是目前已知的微波介電性能優(yōu)異的鋰鈦系微波介質(zhì)陶瓷，燒結溫度低，可作為諧振器、振蕩器、濾波器和介質(zhì)天線等微波電子器件的關鍵核心材料，且原料來源豐富、成本低廉，制備工藝簡單，過程無污染，具有廣闊的應用前景。
【IPC分類】C04B35/653, C04B35/46
【公開號】CN105060878
【申請?zhí)枴緾N201510580132
【發(fā)明人】李玲霞, 呂笑松, 孫浩, 李賽, 葉靜, 張帥
【申請人】天津大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年9月11日