Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種Mg?Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其化學(xué)式為MgxBi4?xTi3?xNbxO12,式中x＝0.1～0.4。先將原料Bi2O3、TiO2、(MgCO3)4·Mg(OH)2·5H2O和Nb2O5按MgxBi4?xTi3?xNbxO12其中x＝0.1～0.4的化學(xué)計(jì)量比，混合后球磨6h，再于90℃烘干，研磨，過(guò)篩；再于800℃合成，并進(jìn)行二次球磨12h，再烘干，研磨，過(guò)篩，再外加質(zhì)量百分比為7wt.％的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒，壓柱均化，搗碎，研磨過(guò)篩，壓制成型為坯體；坯體于650℃保溫1h，進(jìn)行有機(jī)物排除；再于1000～1100℃燒結(jié)，制得Mg?Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷。本發(fā)明在較低燒結(jié)溫度下制備出了高介電常數(shù)的鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，降低了鈦酸鉍的介電損耗，提高了制品性能，最佳燒結(jié)溫度為1050℃，其εr＝125、Q×f＝632GHz。
【專利說(shuō)明】
Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)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Mg-Nb摻雜Bi4Ti3O12 體系的微波介質(zhì)陶瓷。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波介質(zhì)陶瓷是近二十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的功能陶瓷材料。它是指應(yīng)用 于微波頻率(主要是300MHz~30GHz頻段)電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶 瓷材料，是制造微波介質(zhì)濾波器和諧振器的關(guān)鍵材料，近年來(lái)研究十分活躍。用微波介質(zhì)陶 瓷材料做成的各類高性能器件，已被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星電視、雷達(dá)、移動(dòng)通訊、電子計(jì)算機(jī)及 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。為適應(yīng)移動(dòng)通訊與衛(wèi)星通訊等方面的迅速發(fā)展，國(guó)際上對(duì)微波介質(zhì) 陶瓷的研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用愈來(lái)愈重視。目前對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的研究開(kāi)發(fā)主要圍繞如下幾大方 向開(kāi)展:①追求低損耗的極限，研究已有材料的低損耗化;②探索更高的介電常數(shù)(>1〇〇乃 至> 150)新體系;③頻率捷變（電調(diào))微波介質(zhì)陶瓷。即對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料總的要求是:在 所使用的微波波段內(nèi)，介電系數(shù)要大，品質(zhì)因數(shù)Q要高，諧振頻率的溫度系數(shù)介要接近于零 或可調(diào)節(jié)。根據(jù)介電常數(shù)的大小，微波介質(zhì)陶瓷可以分為三大類:1、低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶 瓷，一般其￡<20,此類微波介質(zhì)陶瓷主要包括Al2〇3、MgTi0 3、Y2BaCu05、Mg2Si〇4、Mg2Ti〇4、 Zn2SiO4JgAl2O4等，這類陶瓷主要應(yīng)用于微波基板和高端微波元件；2、中介電常數(shù)微波介 質(zhì)陶瓷，一般其20〈e r〈70，此類微波介質(zhì)陶瓷主要包括BaO-TiO2體系、Ln2O3-TiO 2體系、鈣基 或鋇基復(fù)合 1丐鈦礦、（2!'，3]1)11〇4、]/[0-1^1203-1';[02(1 = 1^，31'，03;1^1 = ]^1，制，3111)體系等，這 類微波介質(zhì)陶瓷主要應(yīng)用于衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信基站;3、高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷，一般 其￡》70,此類微波介質(zhì)陶瓷主要包括 Tio2XaTiOhBaO-Ln2O3-Ti(^aiv2Lnv 2)TiO3XaO-Li2O-Ln2O3-TiO 2和鉛基復(fù)合鈣鈦礦等，這類陶瓷主要應(yīng)用于微波介質(zhì)諧振器和濾波器上。 微波介質(zhì)陶瓷具有較高的介電常數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電子線路的小型化需求，較高的品質(zhì)因數(shù)，能 夠減少能量損失，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，接近于零的諧振頻率溫度系數(shù)，可以使得電路 具有良好的穩(wěn)定性。廣泛用于制作各種微波器件，如穩(wěn)頻振蕩器、濾波器等各種介質(zhì)諧振器 以及介質(zhì)基片、天線和片式電容器等，能夠滿足現(xiàn)代微波通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、廣播電 視、雷達(dá)、電子對(duì)抗、制導(dǎo)等技術(shù)對(duì)微波電路集成化、微型化、高可靠性和低成本的要求。不 同的需求對(duì)介電常數(shù)的需求不同，因此希望通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整配方，在保證品質(zhì)因數(shù)、諧振頻 率溫度系數(shù)的前提下，獲得一系列的介電常數(shù)是必要的。
[0003] Bi4Ti3O12為鉍層狀結(jié)構(gòu)，其化學(xué)通式為他2〇2)2+仏-&0加 +1)2-，由（Bi2〇2)2+層和類 鈣鈦礦層(A^1B mO3M1)2-沿C軸有規(guī)則地交替排列而成，相鄰兩鉍氧層之間沿C軸方向的氧八 面體數(shù)由m來(lái)標(biāo)示。Bi 4Ti3O12燒結(jié)溫度低，介電常數(shù)很高，諧振頻率溫度系數(shù)較小，但是損耗 較大。Bi 4Ti3O12在1050°C燒結(jié)時(shí)其微波性能為er= 110，QXf = 305GHz。但是對(duì)于Mg-Nb同時(shí) 摻雜Bi4Ti3O1J^瓷在微波頻段還沒(méi)有被研究，
【申請(qǐng)人】探究了Mg-Nb同時(shí)對(duì)其進(jìn)行摻雜改性 的影響。為了使其性能達(dá)到最佳，還探究了燒結(jié)溫度對(duì)其性能的影響。因此，Bi 4Ti3O12微波 介質(zhì)陶瓷作為微波介質(zhì)材料應(yīng)在保持高介電常數(shù)基礎(chǔ)上降低損耗，提高QXf值，以實(shí)現(xiàn)在 微波頻段上的更好應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的，是解決^41^3012微波介質(zhì)陶瓷損耗過(guò)高的弊端，通過(guò)加入 (1%0) 3)4*18(0!〇2*5!120和恥2〇 5并通過(guò)工藝調(diào)整，來(lái)降低損耗，提高〇\付直，提供一種能在 較低溫?zé)Y(jié)且能保證其具有較好的微波性能的MgxBi 4-xTi3-xNbx〇12(x = 0.1~0.4)微波介質(zhì) 陶瓷。
[0005] 本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0006] 一種Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其化學(xué)式為MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12，式中x = 0.1 ~0.4;
[0007] 該Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，具有如下步驟：
[0008] (1)配料
[0009] 將原料Bi2O3,TiO2, (MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20，Nb2〇5按MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12，式中X = 0.1~0.4的化學(xué)計(jì)量比，混合后放入球磨罐中，球磨時(shí)間為6h;再將混合料于90°C烘干，研 磨，過(guò)40目篩；
[0010] ⑵合成
[0011]將步驟（1)中過(guò)篩后的粉料，放入坩堝內(nèi)，壓實(shí)，加蓋，密封，于800°C合成，保溫3h， 自然冷卻到室溫，出爐；
[0012] (3)二次球磨
[0013] 將步驟（2)出爐后的合成料研磨后放入球磨罐中進(jìn)行二次球磨12h，再于90°C烘 干，研磨，過(guò)40目篩；
[0014] (4)壓片
[0015]將步驟(3)過(guò)篩后的粉料，外加質(zhì)量百分比為7wt. %的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒， 壓柱均化，再將其搗碎，研磨過(guò)篩，壓制成型為坯體；
[0016] (5)排膠
[0017] 將步驟(4)的坯體放入馬弗爐中，以5°C/min的速率升溫至650°C，保溫lh，并于升 溫至200 °C和350 °C時(shí)各保溫Ih，并于200 °C和350 °C各保溫Ih，進(jìn)行有機(jī)物排除；
[0018] (6)燒結(jié)
[0019] 將步驟(5)排膠后的坯體放進(jìn)坩堝中加入墊料進(jìn)行埋燒，以5°C/min的升溫速率升 溫至1000~1100°C燒結(jié)，保溫5h，隨爐自然冷卻至室溫，制得Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶 bL· 〇
[0020] 所述步驟（1)的原料Bi2O3，Ti〇2，（MgC〇3)4 · Mg(OH)2 · 5H20和Nb2O5均為市售的質(zhì)量 純度多99 %的化學(xué)純?cè)稀?br>[0021 ] 所述步驟(1)按MgxBi4-xTi3-xNbx0i2，X = 0 · 1的化學(xué)計(jì)量比配料。
[0022]所述步驟（1)的球磨介質(zhì)為去離子水和氧化鋯球，球:料:去離子水的重量比均為 2:1:0.6，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分。
[0023]所述步驟(3)的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分。
[0024] 所述步驟(4)壓制成型的壓強(qiáng)為200MPa。
[0025] 所述步驟(4)壓制成型的還體為直徑d = 12mm、厚度5~6mm的圓柱狀還體。
[0026] 所述步驟(6)的燒結(jié)溫度為1050°C。
[0027] 本發(fā)明的有益效果，是以Bi4Ti3O12微波介質(zhì)陶瓷為基礎(chǔ)，采用加入(MgCO 3)4 · Mg (0H)2 · 5H20和Nb2O5來(lái)提高Q X f值的方法，通過(guò)配方與工藝的調(diào)整和改進(jìn)，制備具有較好綜 合性能的MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12，式中x = 0.1~0.4,本發(fā)明提高了 Q X f值，得到了一種綜合性 能較好的微波陶瓷，其中125，Q X f = 632GHz。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明實(shí)施例2的Mg-Nb含量X = 0.1，燒結(jié)溫度為1050 °C時(shí)的掃描電鏡圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 本發(fā)明采用的原料Bi2O3,TiO2, (MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20和Nb2O5均為市售的化學(xué) 純?cè)?質(zhì)量純度多99%)。采用傳統(tǒng)方法即固相反應(yīng)混合方法進(jìn)行常壓燒結(jié)來(lái)制備具有較 好綜合性能的微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0030] 本發(fā)明的制備方法如下：
[0031] (1)配料
[0032] 將原料Bi2O3,TiO2,(MgCO3) 4 · Mg(OH)2 · 5H20和Nb2O5按MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12，式中X =0.1~0.4的化學(xué)計(jì)量比，混合后放入球磨罐中，球磨介質(zhì)均為去離子水和氧化鋯球，球： 料:去離子水的重量比均為2:1:0.6;球磨時(shí)間為6h，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分;再將混合料 放入烘箱內(nèi)于90°C烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，過(guò)40目篩；
[0033] (2)合成
[0034] 將步驟(1)中過(guò)篩后的粉料，放入坩堝內(nèi)，壓實(shí)，加蓋，密封，在合成爐中于800°C合 成，保溫3h，自然冷卻到室溫，出爐；
[0035] (3)二次球磨
[0036] 將步驟(2)出爐后的合成料研磨后放入球磨罐中進(jìn)行二次球磨12h，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速 為750轉(zhuǎn)/分，再將球磨后的料放入烘箱內(nèi)于90°C烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，過(guò)40目篩；
[0037] (4)壓片
[0038]將步驟(3)過(guò)篩后的粉料，外加質(zhì)量百分比為7wt. %的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒， 壓柱均化，再將其搗碎，研磨過(guò)篩，壓制成型為坯體；
[0039] (5)排膠
[0040] 將步驟(4)的坯體放入馬弗爐中，以5°C/min的速率升溫至650°C，保溫lh，并于升 溫至200 °C和350 °C時(shí)各保溫Ih，并于200 °C和350 °C各保溫Ih，進(jìn)行有機(jī)物排除；
[0041] (6)燒結(jié)
[0042] 將步驟(5)排膠后的坯體放進(jìn)坩堝中加入墊料進(jìn)行埋燒，以5°C/min的升溫速率升 溫至1000~1100°C燒結(jié)，保溫5h，隨爐自然冷卻至室溫，制得Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶 瓷；
[0043] (7)測(cè)試微波性能
[0044]將步驟(6)燒結(jié)后的微波介質(zhì)陶瓷，于室溫靜置24h，使用Agilent ,N5230C網(wǎng)絡(luò)分 析儀測(cè)試其ε:，Q X f微波性能。
[0045] 本發(fā)明具體實(shí)施例的（MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20和Nb2O5的摻雜量為O.lwt. %的 MgxBi4-xTi3-xNbx〇 12微波介質(zhì)材料，在不同燒結(jié)溫度及其制品的測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表1。
[0046]不同Mg-Nb摻雜量的MgxBi4-xTi3-xNb x〇12微波介質(zhì)材料在同一燒結(jié)溫度及其制品的 測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表2。
[0047]表 1
[00511圖1是本發(fā)明實(shí)施例2的Mg-Nb含量X = 0.1，燒結(jié)溫度為1050 °C時(shí)的掃描電鏡圖譜。 由圖1中可以看出，其晶粒生長(zhǎng)一致，形成片層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)晶性能較好。
[0052] 最佳實(shí)施例為本發(fā)明實(shí)施例2的Mg-Nb含量x = 0.1，燒結(jié)溫度為1050°C時(shí)，εΓ= 125 (Hakki-Coleman method)、QXf = 632GHz(Cavity method)。
[0053] 本發(fā)明制備的微波陶瓷材料主要作為介質(zhì)諧振器和濾波器應(yīng)用于低頻(f〈4GHz) 的民用移動(dòng)通信系統(tǒng)中，低溫?zé)Y(jié)能夠降低成本，減少污染。
[0054]上述對(duì)實(shí)施例的描述是便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟 悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原 理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng) 域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其化學(xué)式為MgxBi4-xTi 3-xNbx〇12，式中x = 0.1~ 0·4〇 該Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，具有如下步驟： ⑴配料 將原料扮2〇3，1102，（]\%0)3)4.]\%(0!〇2.5!1 20，他2〇5按1^^41113-^^^012，式中叉=0.1~ 0.4的化學(xué)計(jì)量比，混合后放入球磨罐中，球磨時(shí)間為6h;再將混合料于90°C烘干，研磨，過(guò) 40目篩； (2) 合成 將步驟（1)中過(guò)篩后的粉料，放入坩堝內(nèi)，壓實(shí)，加蓋，密封，于800°C合成，保溫3h，自然 冷卻到室溫，出爐； (3) 二次球磨 將步驟(2)出爐后的合成料研磨后放入球磨罐中進(jìn)行二次球磨12h，再于90 °C烘干，研 磨，過(guò)40目篩； (4) 壓片 將步驟(3)過(guò)篩后的粉料，外加質(zhì)量百分比為7wt. %的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒，壓柱 均化，再將其搗碎，研磨過(guò)篩，壓制成型為坯體； (5) 排膠 將步驟(4)的坯體放入馬弗爐中，以5°C/min的速率升溫至650°C，保溫lh，并于升溫至 200 °C和350 °C時(shí)各保溫lh，并于200 °C和350 °C各保溫lh，進(jìn)行有機(jī)物排除； (6) 燒結(jié) 將步驟(5)排膠后的坯體放進(jìn)坩堝中加入墊料進(jìn)行埋燒，以5°C/min的升溫速率升溫至 1000~1100°C燒結(jié)，保溫5h，隨爐自然冷卻至室溫，制得Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟（1)的 原料別2〇 3，1^02，（1%0)3)4 48(0!〇2.5!120和恥2〇5均為市售的質(zhì)量純度彡99%的化學(xué)純?cè)?料。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟（1)按 MgxBi4-xTi3-xNbx0i2，x = 0.1 的化學(xué)計(jì)量比配料。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟（1)的 球磨介質(zhì)為去離子水和氧化鋯球，球:料:去離子水的重量比均為2:1:0.6，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為 750轉(zhuǎn)/分。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(3)的 球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(4)壓 制成型的壓強(qiáng)為200MPa。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(4)壓 制成型的還體為直徑d = 12mm、厚度5~6mm的圓柱狀還體。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Nb摻雜鈦酸鉍微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(6)的 燒結(jié)溫度為1050 °C。
【文檔編號(hào)】C04B35/475GK106007707SQ201610524513
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】馬衛(wèi)兵, 臧向榮, 李娜, 王燕云, 尤博仟
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)