[发明专利]具有中介电常数和超低介电损耗的微波介质陶瓷、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种具有中介电常数和超低介电损耗的微波介质陶瓷、制备方法及其应用。本发明微波介质陶瓷的化学表达式为：Sr₂(Ti_1‑xZr_x)O₄，其中0x0.1，该微波介质陶瓷制备方法为：将SrCO₃、TiO₂和ZrO₂按化学表达式中的化学计量比配料，连续球磨24h后烘干，过筛；将制得的粉料在1200℃～1250℃煅烧1～3小时后，二次球磨并过筛；将制得的粉料压制成生坯，在1475℃～1550℃烧结1～3小时制得陶瓷块体。发明制备的Sr₂(Ti_0.975Zr_0.025)O₄陶瓷中优异的ε_r和Qf值性能组合远远优于其他微波介质材料体系，可广泛应用于无线通讯设备如微波谐振器、微波滤波器等元器件中，在基站通信、卫星通信等领域有极大的应用价值。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，特别是涉及一种具有中介电常数和超低介电损耗的微波介质陶瓷、制备方法及其应用。

背景技术

微波介质陶瓷是指应用于微波频段(300MHz-300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的低损耗、温度稳定型陶瓷。随着无线通讯技术的迅猛发展，微波介质陶瓷作为微波谐振器件(包括介质谐振器、滤波器、振荡器)、微波电容器等无源器件的关键材料而得到了广泛关注。为了满足器件小型化和实用化需求，在兼顾成本的同时，要求这类陶瓷具有较大的介电常数(ε_r)，较低的介电损耗(即较高的Qf值)和良好的温度稳定性。近年来，随着人们对信息传输内容、速度及质量等要求的不断提高，新一代信息传输技术如5G移动通信，物联网(IoT)技术等不断涌现。为满足未来通讯技术的应用需求，亟需挖掘已有介质材料的性能极限以及探索新型微波介质材料体系。

由电介质理论可知，材料的介电常数与Qf值通常呈现负相关关系，即介电常数的提高往往伴随着Qf值的下降，因而同时具有较大介电常数和超低介电损耗的材料体系十分缺乏。另一方面，尽管目前微波介质陶瓷得到了广泛的研究，一系列新型微波介质材料也不断涌现，但是具有中介电常数(40ε_r70)的低损耗微波介质陶瓷体系却几乎为空白。专利申请人在Sr₂TiO₄陶瓷中发现其具有十分优异的εr与Qf值性能组合(ε_r＝42，Qf＝145200GHz)，并撰写论文发表在电介质领域权威SCI期刊上(S_rn+1Ti_nO_3n+1(n＝1，2)Microwave Dielectric Ceramics with Medium Dielectric Constant and Ultra-LowDielectric Loss,J.Am.Ceram.Soc.,2017,100,496-500)。进一步的，由于陶瓷微波介电性能与材料结构、微结构等因素密切相关且介电损耗主要起源于陶瓷内部缺陷如晶界，气孔等微结构因素，通过优化微结构则蕴含着陶瓷微波介电性能进一步改善的可能。为此，本发明围绕Sr₂TiO₄陶瓷B位离子改性调控其微结构和微波介电性能，开发出一种具有中介电常数和超低介电损耗的微波介质陶瓷及其制备方法，结果表明：微量Zr离子置换Ti离子能有效地调控Sr₂TiO₄陶瓷的晶粒尺寸和微观形貌，从而在Sr₂(Ti_1-xZr_x)O₄材料中获得微波介电性能进一步的提升。

发明内容