一種超低介電常數(shù)微波介電陶瓷及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可低溫?zé)Y(jié)的超低介電常數(shù)微波介電陶瓷Ca5V3O12F及其制備方法。（1）將純度為99.9%（重量百分比）以上的CaF2、CaCO3和V2O5的原始粉末按Ca5V3O12F的組成稱(chēng)量配料；（2）將步驟（1）原料濕式球磨混合12小時(shí)，球磨介質(zhì)為蒸餾水，烘干后在850℃大氣氣氛中預(yù)燒6小時(shí)；（3）在步驟（2）制得的粉末中添加粘結(jié)劑并造粒后，再壓制成型，最后在900~930℃大氣氣氛中燒結(jié)4小時(shí)；所述的粘結(jié)劑采用質(zhì)量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量占粉末總質(zhì)量的3%。本發(fā)明制備的陶瓷在900~930℃燒結(jié)良好，介電常數(shù)達(dá)到9.7～10.4，其品質(zhì)因數(shù)Qf值高達(dá)66400-72100GHz，諧振頻率溫度系數(shù)小，在工業(yè)上有著極大的應(yīng)用價(jià)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種超低介電常數(shù)微波介電陶瓷及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及介電陶瓷材料，特別是涉及用于制造微波頻率使用的陶瓷諧振器與濾 波器等微波元器件的介電陶瓷材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微波介電陶瓷是指應(yīng)用于微波頻段(主要是UHF和SHF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，在現(xiàn)代通訊中被廣泛用作諧振器、濾波器、介質(zhì)基片和介質(zhì) 導(dǎo)波回路等元器件，是現(xiàn)代通信技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，已在便攜式移動(dòng)電話、汽車(chē)電話、無(wú) 繩電話、電視衛(wèi)星接受器和軍事雷達(dá)等方面有著十分重要的應(yīng)用，在現(xiàn)代通訊工具的小型 化、集成化過(guò)程中正發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。
[0003] 應(yīng)用于微波頻段的介電陶瓷，應(yīng)滿(mǎn)足如下介電特性的要求：（1)系列化介電常數(shù) ε ^以適應(yīng)不同頻率及不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求；（2)高的品質(zhì)因數(shù)Q值或低的介質(zhì)損耗tan δ 以降低噪音，一般要求Qf彡3000 GHz; (3)諧振頻率的溫度系數(shù)^盡可能小以保證器件 具有好的熱穩(wěn)定性，一般要求-10 ppm /°C< τ，<+]_〇 ppm/°c。國(guó)際上從20世紀(jì)30年 代末就有人嘗試將電介質(zhì)材料應(yīng)用于微波技術(shù)，并制備出TiO2微波介質(zhì)濾波器，但其諧振 頻率溫度系數(shù)^太大而無(wú)法實(shí)用化。上世紀(jì)70年代以來(lái)，開(kāi)始了大規(guī)模的對(duì)介質(zhì)陶瓷材 料的開(kāi)發(fā)工作，根據(jù)相對(duì)介電常數(shù)L的大小與使用頻段的不同，通常可將已被開(kāi)發(fā)和正 在開(kāi)發(fā)的微波介質(zhì)陶瓷分為4類(lèi)。
[0004] (1)超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，主要代表是Al203-Ti0 2、Y2BaCu05、MgAl2O4和 Mg2SiO4等，其20,品質(zhì)因數(shù)QXf 3 50000GHz，10 ppm/° C。主要用于微波基 板以及高端微波元器件。
[0005] (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(tǒng)或它們之間的復(fù)合系統(tǒng)MWDC材料。其ε ^20?35， Q=(l?2) X 104(在f彡10 GHz下），τ , ^ 〇。主要應(yīng)用于f彡8 GHz的衛(wèi)星直播等微波 通信機(jī)中作為介質(zhì)諧振器件。
[0006] (3)中等L和Q值的微波介電陶瓷，主要是以BaTi409、Ba2Ti 9O2tl和（Zr、Sn) TiO4 等為基的MWDC材料，其= 35?45, Q= (6?9) XlO3 (在f=3?一4GHz下)，5 ppm/° C。主要用于4?8 GHz頻率范圍內(nèi)的微波軍用雷達(dá)及通信系統(tǒng)中作為介質(zhì)諧振器 件。
[0007] (4)高L而Q值較低的微波介電陶瓷，主要用于0.8?4GHz頻率范圍內(nèi)民用移 動(dòng)通訊系統(tǒng)，這也是微波介電陶瓷研究的重點(diǎn)。80年代以來(lái)，Kolar、Kato等人相繼發(fā)現(xiàn)并 研究了類(lèi)鈣鈦礦鎢青銅型BaO - Ln2O3 - TiO2系列（Ln=La、Sm、Nd或Pr等，簡(jiǎn)稱(chēng)BLT系）、 復(fù)合f丐欽礦結(jié)構(gòu)CaO -Li2O一Ln2O3一TiO2系列、鉛基系列材料、CahLn 2xjZ3TiO3系等商ε ^微 波介電陶瓷，其中BLT體系的BaO - Nd2O3 - TiO2材料介電常數(shù)達(dá)到90,鉛基系列（Pb, Ca) ZrO3介電常數(shù)達(dá)到105。
[0008] 以上這些材料體系的燒結(jié)溫度一般高于1300° C，不能直接與Ag和Cu等低 烙點(diǎn)金屬共燒形成多層陶瓷電容器。近年來(lái)，隨著低溫共燒陶瓷技術(shù)（Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)的發(fā)展和微波多層器件發(fā)展的要求，國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)一些 低燒體系材料進(jìn)行了廣泛的探索和研究，主要是采用微晶玻璃或玻璃-陶瓷復(fù)合材料體 系，因低熔點(diǎn)玻璃相具有相對(duì)較高的介質(zhì)損耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介質(zhì)損耗。 因此研制無(wú)玻璃相的低燒微波介質(zhì)陶瓷材料是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
[0009] 在探索與開(kāi)發(fā)新型可低燒微波介電陶瓷材料的過(guò)程中，固有燒結(jié)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(guān)注 與研究，但是由于微波介電陶瓷的三個(gè)性能指標(biāo)（L與Q*f和τρ之間是相互制約的關(guān) 系(見(jiàn)文獻(xiàn)：微波介質(zhì)陶瓷材料介電性能間的制約關(guān)系，朱建華，梁飛，汪小紅，呂文中，電 子元件與材料，2005年3月第3期)，滿(mǎn)足三個(gè)性能要求且可低溫?zé)Y(jié)的單相微波介質(zhì)陶 瓷非常少，主要是它們的諧振頻率溫度系數(shù)通常過(guò)大或者品質(zhì)因數(shù)偏低而無(wú)法實(shí)際應(yīng)用要 求。目前對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的研究大部分是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)而得出的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，卻沒(méi)有完整的 理論來(lái)闡述微觀結(jié)構(gòu)與介電性能的關(guān)系，因此，在理論上還無(wú)法從化合物的組成與結(jié)構(gòu)上 預(yù)測(cè)其諧振頻率溫度系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)等微波介電性能，這在很大程度上限制了低溫共燒技 術(shù)及微波多層器件的發(fā)展。探索與開(kāi)發(fā)既能低溫?zé)Y(jié)同時(shí)具有近零諧振頻率溫度系數(shù)與較 高品質(zhì)因數(shù)的超低介電常數(shù)微波介電陶瓷是本領(lǐng)域技術(shù)人員一直渴望解決但始終難以獲 得成功的難題。
[0010] 我們對(duì)組成Ba5V3O12F'Ca 5V3O12F'Sr5V3O 12F'以及Mg5V3O12F的系列化合物進(jìn)行了微波 介電性能的研究，發(fā)現(xiàn)它們的燒結(jié)溫度都低于960°C，Ca5V3012F、Ba 5V3O12F與Mg5V3O 12F介電 常數(shù)只有7至11，屬于超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，但只有Ca5V3O12F具有近零諧振頻率溫 度系數(shù)與高品質(zhì)因數(shù)，Ba 5V3O12F與Mg5V3O 12F陶瓷的諧振頻率溫度系數(shù)偏大（τ /分別為-76 ppm/°C和-42 ppm/°C)。Sr5V3O12F的介電損耗太大而無(wú)法作為微波介電陶瓷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是提供一種具有良好的熱穩(wěn)定性與低損耗，同時(shí)可低溫?zé)Y(jié)的超低 介電常數(shù)微波介電陶瓷材料及其制備方法。
[0012] 本發(fā)明的微波介電陶瓷材料的化學(xué)組成為Ca5V30 12F。
[0013] 本微波介電陶瓷材料的制備方法步驟為： (1)將純度為99. 9% (重量百分比）以上的CaF2、CaCO3和V2O5的原始粉末按Ca 5V3O12F 的組成稱(chēng)量配料。
[0014] (2)將步驟（1)原料濕式球磨混合12小時(shí)，球磨介質(zhì)為蒸餾水，烘干后在850°C大 氣氣氛中預(yù)燒6小時(shí)。
[0015] (3)在步驟（2)制得的粉末中添加粘結(jié)劑并造粒后，再壓制成型，最后在 90(T93(TC大氣氣氛中燒結(jié)4小時(shí)；所述的粘結(jié)劑采用質(zhì)量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，聚乙 烯醇添加量占粉末總質(zhì)量的3%。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)=Ca5V3O12F陶瓷燒結(jié)溫度低，原料成本低；介電常數(shù)達(dá)到9. 7? 10. 4,其諧振頻率的溫度系數(shù)^小，溫度穩(wěn)定性好；品質(zhì)因數(shù)Qf值高達(dá)66400-72100GHZ， 可廣泛用于各種介質(zhì)諧振器和濾波器等微波器件的制造，可滿(mǎn)足低溫共燒技術(shù)及微波多層 器件的技術(shù)需要，在工業(yè)上有著極大的應(yīng)用價(jià)值。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 實(shí)施例： 表1示出了構(gòu)成本發(fā)明的不同燒結(jié)溫度的3個(gè)具體實(shí)施例及其微波介電性能。其制備 方法如上所述，用圓柱介質(zhì)諧振器法進(jìn)行微波介電性能的評(píng)價(jià)。
[0018] 本陶瓷可廣泛用于各種介質(zhì)諧振器和濾波器等微波器件的制造，可滿(mǎn)足移動(dòng)通信 和衛(wèi)星通信等系統(tǒng)的技術(shù)需要。
[0019] 表1:

【權(quán)利要求】
1. 一種具備近零諧振頻率溫度系數(shù)與高品質(zhì)因數(shù)的超低介電常數(shù)微波介電陶瓷及其 制備方法，其特征在于所述微波介電陶瓷的化學(xué)組成為：Ca5V3O12F; 所述微波介電陶瓷的制備方法具體步驟為： (1) 將純度為99. 9% (重量百分比）以上的CaF2、CaCO3和V2O5的原始粉末按Ca 5V3O12F 的組成稱(chēng)量配料； (2) 將步驟（1)原料濕式球磨混合12小時(shí)，球磨介質(zhì)為蒸餾水，烘干后在850°C大氣氣 氛中預(yù)燒6小時(shí)； (3) 在步驟（2)制得的粉末中添加粘結(jié)劑并造粒后，再壓制成型，最后在90(T930°C大 氣氣氛中燒結(jié)4小時(shí)；所述的粘結(jié)劑采用質(zhì)量濃度為5%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇添加量 占粉末總質(zhì)量的3%。
【文檔編號(hào)】C04B35/495GK104311021SQ201410537383
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】蘇聰學(xué), 王全超, 覃杏柳 申請(qǐng)人:桂林理工大學(xué)