[发明专利]一种Zr-Ti基微波介质陶瓷材料及其制备方法有效

专利信息
申请号: 201210227586.6 申请日: 2012-07-03
公开(公告)号: CN102731092A 公开(公告)日: 2012-10-17
发明(设计)人: 唐斌;余盛全;钟朝位;周晓华;张树人 申请(专利权)人: 电子科技大学
主分类号: C04B35/49 分类号: C04B35/49;C04B35/622;H01B3/12
代理公司: 电子科技大学专利中心 51203 代理人: 葛启函
地址: 611731 四川省成*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 一种 zr ti 微波 介质 陶瓷材料 及其 制备 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于电子信息功能材料与器件技术领域,涉及Zr-Ti基微波介质陶瓷,尤其是具有高品质因数、低频率温度系数的新型微波介质陶瓷。可用于制作现代通信技术中的介质谐振器、介质滤波器、介质基板以及介质天线等微波通信元器件。

背景技术

微波介质陶瓷是应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段,300MHz~300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷,是近年来国内外对微波介质材料研究领域的一个热点方向。用微波介质陶瓷材料制作的谐振器、滤波器、振荡器、衰减器、介质天线、微波集成电路基片等元器件广泛应用于移动通讯、卫星通信、军用雷达、全球卫星定位系统(GPS)、蓝牙技术、无线局域网等用到的现代通信设备中。对微波介质陶瓷材料的主要性能要求是:(1)高介电常数(20~100),高的介电常数有利于实现元器件的小型化,因为谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比;(2)高品质因数(Q>3000),微波介质陶瓷材料的Q值越大,滤波器的插入损耗就越低;(3)低频率温度系数(0±10ppm/℃),低的频率温度系数意味着器件的中心频率随环境温度变化小,工作稳定性提高。此外,用微波介质陶瓷材料制作的元器件不仅具有体积小、质量轻、性能稳定、价格便宜等优点;还能减少复杂的调校工作,可以简化电路设计。

Zr-Ti基陶瓷是一类常见的微波介质陶瓷。纯的ZrTiO4陶瓷的微波介电性能为:介电常数εr=42、Q×f=28000GHz、频率温度系数τf=+58ppm/℃。高的频率温度系数以及高的烧结温度(>1600℃)使得纯的ZrTiO4陶瓷的应用价值极低。为了耦合(降低)ZrTiO4陶瓷的高频率温度系数得到近零的频率温度系数,在1975~1977年间,日本村田公司(MurataManufacturing Company)在ZrTiO4陶瓷的基础上通过用Sn4+离子取代20mol%的Zr4+离子,研制出了具有低频率温度系数的(Zr0.8Sn0.2)TiO4微波介质陶瓷,为此迎来了微波介质陶瓷研究的第二个突破。(Zr0.8Sn0.2)TiO4陶瓷的典型微波介电性能为:介电常数εr=38.9、Q×f=51500GHz、频率温度系数τf=+0.7ppm/℃,但是烧结得到微观结构致密的(Zr0.8Sn0.2)TiO4陶瓷非常难,即使当烧结温度达到1600℃。这之后,为改善烧结性能,以B2O3、ZnO、NiO、CuO、La2O3、Nd2O3等氧化物掺杂的(Zr0.8Sn0.2)TiO4微波介质陶瓷相继见报道,虽然这些陶瓷的烧结温度下降到了1100~1400℃,但是它们的微波介电性能均有不同程度的恶化。2003年,韩国学者在《Materials Chemistry and Physics》报道了另外一种耦合(降低)ZrTiO4陶瓷的高频率温度系数的思路,即用1/3比例的Zn2+离子和2/3比例的Ta5+离子复合取代部分Zr4+离子,得到了Zrx(Zn1/3Ta2/3)1-xTiO4微波介质陶瓷,其烧结温度为1300℃,微波介电性能可为:介电常数εr=42.5、Q×f=40200GHz、频率温度系数τf=+1.1ppm/℃。此种Zr-Ti基微波介质陶瓷的烧结温度有了明显降低,频率温度系数也被耦合到了近零,但其主要缺点就是Ta2O5价格昂贵,增加了制备成本。到2006年,英国研究人员在《Journal of the American Ceramic Society》报道了用Nb2O5替换昂贵的Ta2O5,制备了由(Zn1/3Nb2/3)4+取代的ZrTi2O6陶瓷,其可在1260~1300℃烧结致密,其微波介电性能可为:介电常数εr=47、Q×f=34000GHz、频率温度系数τf≈0ppm/℃,但是其必须在O2中烧结的才能获得高的Q×f值的条件增加了对烧结设备的要求,也难以推广实用化。

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