[发明专利]一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料及其制备方法与应用，其中，所述超低介电损耗的高熵陶瓷材料的化学组成为Ca_0.7(ZnMgNdSmYb)_0.2GeO₄。本发明制备的高熵陶瓷材料Ca_0.7(ZnMgNdSmYb)_0.2GeO₄烧结致密度高，成本低；其品质因数Q×f值高达490000‑580000GHz，介电损耗tanδ达到2.46×10^‑5～2.88×10^‑5；介电常数达到9.8～10.4；谐振频率的温度系数τ_f小(‑9～‑7ppm/℃)，温度稳定性好；可广泛用于各种介质天线基板、谐振器和滤波器等高端微波器件的制造。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，特别涉及一种超低介电损耗的高熵陶瓷材料及其制备方法与应用。

背景技术

微波介质陶瓷是指应用于微波频段(300MHz～300GHz)电路中的一种功能电介质材料，适于生产微波谐振器、滤波器、振荡器、介质天线等多种微波元器件。在卫星通讯、现代通信、军用雷达以及国防等方面有着十分广泛的应用。高熵设计策略是近年来出现的新的材料设计理论，目前已成为材料研究领域的一大热点，其概念最初由高熵合金(HEAs)发展而来。高熵材料的世界是多样的，通过添加组元元素，材料出现一些新颖的性质，然后通过调整成分浓度进行对其性能进行微调，可以发现材料的大量优异性能。与传统陶瓷材料相比，高熵陶瓷(HECs)具有良好的结构稳定性、优异的力学性能以及卓越的电学性能，有望应用于电子、能源与环境等领域。

应用于微波频段的介电高熵陶瓷，应满足如下介电特性的要求：(1)系列化介电常数ε_r以适应不同频率及不同应用场合的要求；(2)高的品质因数Q值或低的介质损耗tanδ以降低噪音，一般要求Q×f≥3000GHz；(3)谐振频率的温度系数τ_f尽可能小以保证器件具有好的热稳定性，一般要求-10ppm/℃≤τ_f≤+10ppm/℃。国际上从20世纪30年代末就有人尝试将电介质材料应用于微波技术,并制备出TiO₂微波介质滤波器，但其谐振频率温度系数τ_f太大而无法实用化。上世纪70年代以来，开始了大规模的对介质陶瓷材料的开发工作，根据相对介电常数ε_r的大小与使用频段的不同，通常可将已被开发和正在开发的微波介质陶瓷分为4类。

(1)超低介电常数微波介电陶瓷，主要代表是Al₂O₃-TiO₂、Y₂BaCuO₅、MgAl₂O₄和Mg₂SiO₄等，其ε_r≤15，品质因数Q×f≥50000GHz，τ_f≤10ppm/℃。主要用于微波基板以及高端微波元器件。

(2)低ε_r和低介电损耗的微波介电陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta₂O₅、BaO-ZnO-Ta₂O₅或BaO-MgO-Nb₂O₅、BaO-ZnO-Nb₂O₅系统或它们之间的复合系统MWDC材料。其ε_r＝15～35，Q＝(1～2)×10^-4(在f≥10GHz下),τ_f≈0。主要应用于f≥8GHz的卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件。