[发明专利]一种锆锡钛系微波介质陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锆锡钛系微波介质陶瓷材料及其制备方法,包括基料、改性添加剂及降烧剂；基料的化学通式为(Zr_xSn_1‑x)TiO₄，其中，0.6≤x≤1；改性添加剂为Nb₂O₅、MnO₂、La₂O₃、CeO₂、Nd₂O₃、Sm₂O₃、Al₂O₃及SiO₂中的至少一种；降烧剂为ZnO和CuO中的至少一种。通过掺入改性添加剂，提升其微波介电性能，该锆锡钛系微波介质陶瓷材料通过调整原材料合成的配比可形成介电常数ε_r介于35～45之间且连续可调，品质因数Q×f值介于40000～65000GHz，谐振频率温度系数τ_f介于±10ppm/℃之间且可根据组分进行调节，并且抗弯强度可达到230MPa以上，满足微波器件的微波性能要求，拓宽材料的应用面。此介质陶瓷材料可应用于卫星通信、介质谐振器、滤波器、振荡器等微波器件中，绿色环保无污染。

技术领域

本发明涉及电子陶瓷材料领域，尤其是指一种锆锡钛系微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着移动通讯技术的高速发展，人们对移动终端、车载导航、雷达、卫星定位系统等无线通讯设备的要求越来越高，电子元器件向高频化、微型化、集成化、模块化、多功能化以及低成本化的方向发展已经变为趋势。传统的金属谐振腔和金属波导由于其质量和体积过大，限制了微波集成电路的发展。由于每个天线都需配备相应的双工器，并且信号的频率是由相应的滤波器所决定，因此对滤波器的需求量将大幅提升。要实现这些目标都离不开高性能的微波介质陶瓷。相比其他材料而言，微波介质陶瓷具有高介电常数(ε_r)，较低介电损耗(tanδ)和近零的谐振频率温度系数(τ_f)的优良介电性能。良好的力学性能和化学稳定性，保证了微波元器件和微波系统在恶劣的环境中能够正常工作。利用微波介质陶瓷制作的谐振器、滤波器、微波介质天线、频率振荡器、介质波导传输线等元器件已广泛应用于微波通信技术各个领域。与此同时，电子材料和元器件是电子信息产业的重要组成部分，处于电子信息产业链的前端，是通信、计算机及网络、数字音视频等系统和终端产品发展的基础，对于电子信息产业的技术创新和做大做强有着重要的支撑作用。

介质滤波器和谐振器中的电磁波谐振发生在陶瓷介质材料内部，对微波介质陶瓷材料的性能提出了更高的要求：(1)适中的介电常数，高介电常数可实现器件的小型化，但过高的介电常数将影响器件的传输损耗，因此需要考虑器件的设计要求，选择合适的介电常数。(2)高品质因数，其值越高，通带越窄，电路选择性越好，滤波效果越好。(3)近零的谐振频率温度系数，实现器件的高稳定性和可靠性。再者，较大的τ_f会使设备在一些高纬度区域难以启动，因为这些地区的环境温度可达-30℃以下。

(Zr_xSn_1-x)TiO₄(锆锡钛)陶瓷可通过固相反应法在一定比例范围形成 (Zr_0.8Sn_0.2)TiO₄相，呈现出优异的微波介电性能，但纯(Zr_0.8Sn_0.2)TiO₄的烧结温度较高(1400～1700℃)，即便如此高的温度在常规烧结条件下也难以获得致密的陶瓷材料。此外，锆锡钛陶瓷也呈现出较低的抗弯强度(150MPa)使其应用范围受到严重的限制。美国专利(US patent：9006122)中报道通过P₂O₅掺杂可使锆锡钛陶瓷的抗弯强度提升至190MPa。美国专利(USpatent:7399723)指出 Nb₂O₅和SiO₂复合掺杂也可有效提升锆锡钛陶瓷的抗弯强度，但仍没有超过200 MPa。