溫度穩(wěn)定型超低介電常數(shù)微波介電陶瓷LiFe₃Ge₂O₉的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低損耗溫度穩(wěn)定型超低介電常數(shù)微波介電陶瓷LiFe3Ge2O9及其制備方法。(1)將純度為99.9％(重量百分比)以上的Li2CO3、Fe2O3和GeO2的原始粉末按LiFe3Ge2O9的組成稱量配料；(2)將步驟(1)原料濕式球磨混合12小時，球磨介質(zhì)為蒸餾水，烘干后在1100℃大氣氣氛中預燒6小時；(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1150～1200℃大氣氣氛中燒結(jié)4小時；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1200℃以下燒結(jié)良好，介電常數(shù)達到7.6～8.4，其品質(zhì)因數(shù)Qf值高達77000?98000GHz，諧振頻率溫度系數(shù)小，在工業(yè)上有著極大的應用價值。
【專利說明】
溫度穩(wěn)定型超低介電常數(shù)微波介電陶瓷Li Fe3Ge2O9
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基板、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，已在便攜式移動電話、汽車電話、無 繩電話、電視衛(wèi)星接受器和軍事雷達等方面有著十分重要的應用，在現(xiàn)代通訊工具的小型 化、集成化過程中正發(fā)揮著越來越大的作用。
[0003] 應用于微波頻段的介電陶瓷，應滿足如下介電特性的要求：（1)系列化介電常數(shù)^ 以適應不同頻率及不同應用場合的要求；（2)高的品質(zhì)因數(shù)Q值或低的介質(zhì)損耗tans以降低 噪音，一般要求Qf多3000GHz; (3)諧振頻率的溫度系數(shù)Tf盡可能小以保證器件具有好的熱 穩(wěn)定性，一般要求-IOppm/°C彡T f <+l〇ppm/°C。國際上從20世紀30年代末就有人嘗試將電 介質(zhì)材料應用于微波技術(shù)，并制備出TiO 2微波介質(zhì)濾波器，但其諧振頻率溫度系數(shù)Tf太大而 無法實用化。上世紀70年代以來，開始了大規(guī)模的對介質(zhì)陶瓷材料的開發(fā)工作，根據(jù)相對介 電常數(shù)k的大小與使用頻段的不同，通常可將已被開發(fā)和正在開發(fā)的微波介質(zhì)陶瓷分為4 類。
[0004] (1)超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，主要代表是Al2〇3-Ti〇2、Y2BaCu0 5、MgAl2〇4和 Mg2SiO4等，其ε<20,品質(zhì)因數(shù)0\€彡500006泡~彡10卯111/°(：。主要用于微波基板以及高 端微波元器件。
[0005] (2)低Er和高Q值的微波介電陶瓷，主要是Ba〇-Mg〇-Ta2〇5，BaO-ZnO-Ta 2O5或BaO-Mg〇-Nb2〇5，Ba〇-Zn〇-Nb2〇5系統(tǒng)或它們之間的復合系統(tǒng)MffDC材料。其ε Γ = 20~35，Q=(1~2) X 104(在f SlOGHz下），τρ〇。主要應用于f彡8GHz的衛(wèi)星直播等微波通信機中作為介質(zhì)諧 振器件。
[0006] (3)中等值的微波介電陶瓷，主要是以BaTi4〇9、Ba2Ti9〇20和(Zr、Sn)Ti〇4等為 基的MWDC材料，其e r = 35~45，Q=(6~9) X103(在f = 3~一4GHz下），^彡5口口111/°(：。主要用 于4~8GHz頻率范圍內(nèi)的微波軍用雷達及通信系統(tǒng)中作為介質(zhì)諧振器件。
[0007] (4)高^而〇值較低的微波介電陶瓷，主要用于0.8~4GHz頻率范圍內(nèi)民用移動通 訊系統(tǒng)，這也是微波介電陶瓷研究的重點。80年代以來，Kolar、Kato等人相繼發(fā)現(xiàn)并研究了 類鈣鈦礦鎢青銅型BaO-Ln 2O3-TiO2系列（Ln = La、Sm、Nd或Pr等，簡稱BLT系）、復合鈣鈦礦 結(jié)構(gòu)CaO-Li2〇一Ln2〇3-Ti〇2系列、鉛基系列材料、Cai- xLn2x/3Ti〇3系等尚￡]:微波介電陶瓷， 其中BLT體系的BaO-NcbO 3-T i〇2材料介電常數(shù)達到90，鉛基系列(Pb，Ca) ZrO3介電常數(shù)達 到 105〇
[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等低熔點金屬 共燒形成多層陶瓷電容器。近年來，隨著低溫共燒陶瓷技術(shù)(LowTemperature Co-fired CeramicS，LTCC)的發(fā)展和微波多層器件發(fā)展的要求，國內(nèi)外的研究人員對一些低燒體系材 料進行了廣泛的探索和研究，主要是采用微晶玻璃或玻璃-陶瓷復合材料體系，因低熔點玻 璃相具有相對較高的介質(zhì)損耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介質(zhì)損耗。因此研制無玻 璃相的低燒微波介質(zhì)陶瓷材料是當前研究的重點。
[0009] 在探索與開發(fā)新型可低燒微波介電陶瓷材料的過程中，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性能指標(ε r與Q · f和Tf)之間是相互制約的關(guān)系(見文 獻: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），滿足三個性能要求且可低溫燒結(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)通常過大或者品質(zhì)因數(shù)偏低而無法實際應用要求。目前對微 波介質(zhì)陶瓷的研究大部分是通過大量實驗而得出的經(jīng)驗總結(jié)，卻沒有完整的理論來闡述微 觀結(jié)構(gòu)與介電性能的關(guān)系，因此，在理論上還無法從化合物的組成與結(jié)構(gòu)上預測其諧振頻 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。探索與開發(fā)既能低溫燒結(jié)同時具有近零諧振頻率溫度系數(shù)(-10ppm/°C彡T f彡 + 10ppm/°C)與較高品質(zhì)因數(shù)的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。我們對組成為LiFe 3Ge2O9與LiFe3Sn2O 9的陶瓷進行了燒結(jié)與微波介電性能 研究，發(fā)現(xiàn)它們的燒結(jié)溫度低于1200°C，其中LiFe3Ge 2O9具有近零諧振頻率溫度系數(shù)與高品 質(zhì)因數(shù)，LiFe3Sn 2O9陶瓷為半導體，其介電損耗大而沒有諧振峰，因此無法作為可實用化的 微波介質(zhì)陶瓷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是提供一種具有良好的熱穩(wěn)定性與低損耗的超低介電常數(shù)微波介 電陶瓷材料及其制備方法。
[0011] 本發(fā)明的微波介電陶瓷材料的化學組成為LiFe3Ge2O^
[0012] 本微波介電陶瓷材料的制備方法步驟為：
[0013] (1)將純度為99.9%(重量百分比）以上的1^2(：0346 2〇3和66〇2的原始粉末按 LiFe3Ge2O9的組成稱量配料。
[0014] (2)將步驟（1)原料濕式球磨混合12小時，球磨介質(zhì)為蒸餾水，烘干后在1100 °C大 氣氣氛中預燒6小時。
[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1150~ 1200°C大氣氣氛中燒結(jié)4小時;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：LiFe3Ge2O9陶瓷燒結(jié)溫度較低，原料成本低;其品質(zhì)因數(shù)Qf值高達 77000-98000GHZ，介電常數(shù)達到7.6~8.4，其諧振頻率的溫度系數(shù)^小，溫度穩(wěn)定性好;可 廣泛用于各種介質(zhì)基板、諧振器和濾波器等微波器件的制造，可滿足低溫共燒技術(shù)及微波 多層器件的技術(shù)需要。
【具體實施方式】
[0017] 實施例：
[0018] 表1示出了構(gòu)成本發(fā)明的不同燒結(jié)溫度的3個具體實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)諧振器法進行微波介電性能的評價。
[0019] 本陶瓷可廣泛用于各種介質(zhì)基板、諧振器和濾波器等微波器件的制造，可滿足移 動通信和衛(wèi)星通信等系統(tǒng)的技術(shù)需要。
[0020] 表1:
【主權(quán)項】
1. 一種高品質(zhì)因數(shù)溫度穩(wěn)定型超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，其特征在于所述微波介電 陶瓷的化學組成為:LiFe3Ge2〇9; 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Li2C03、Fe2〇3和Ge0 2的原始粉末按LiFe3Ge2〇9 的組成稱量配料； (2) 將步驟（1)原料濕式球磨混合12小時，球磨介質(zhì)為蒸餾水，烘干后在1100 °C大氣氣 氛中預燒6小時； (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1150~1200°C 大氣氣氛中燒結(jié)4小時;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】C04B35/622GK106007675SQ201610583626
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】相懷成, 段煉, 蘇和平
【申請人】桂林理工大學