[发明专利]一种可提高抗还原能力的微波陶瓷介质材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种可提高抗还原能力的微波陶瓷介质材料及其制备方法，所述微波陶瓷介质材料的主晶相结构为(1‑x)Mg₂SiO₄‑x(Ca_0.55Sr_0.45)ZrO₃，其中0.4≤x≤0.7；其Qf值为66000～88000GHz，相对介电常数ε_r为8.6～13.6，谐振频率温度系数在±9ppm/℃以内。本发明不仅有效地降低了Mg₂SiO₄晶相合成温度，还抑制了MgSiO₃第二相的形成，同时制得的材料性能优良、制备工艺易控、成本低廉等优点，因此具有广阔的市场前景。

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，具体是一种可提高抗还原能力的微波陶瓷介质材料及其制备方法。

背景技术

微波介质陶瓷是指应用于微波频段(300MHz-300GHz频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，在现代通信中被广泛用作谐振器、滤波器、介质基片、介质天线、介质导波回路等。微波介质谐振器与金属空腔谐振器相比,具有体积小、质量轻、温度稳定性好、价格便宜等优点。

随着微波通信的快速发展，微波通信系统迫切需要高性能的微波介质器件。目前移动通信的频率范围在800～5500MHz，相应的微波介质器件趋于成熟，但当频率向高端发展时，如华为在2021年4月提出的5-5.5G无线通信，面向2025共同启动5.5G创新和标准化；又如卫星通信的频率位于K波段(12～40GHz)，已开发的微波介质材料的ε_r较大(ε_r≥20)、Q·f值较小，无法制造出低损耗、合适尺寸的微波介质器件，因此有必要开发低介电常数、低频率温度系数、高Q·f值的微波介质材料。

镁橄榄石(Mg₂SiO₄)具有低的介电常数、较高的Q·f值，比A1₂O₃陶瓷烧结温度低，适合作为低介电常数介质谐振器或基板的一种微波介质材料。Mg₂SiO₄陶瓷作为介质谐振器材料存在着以下缺陷。其一，Mg₂SiO₄陶瓷具有较大的负谐振频率温度系数(-67ppm/℃)；其二，Mg₂SiO₄晶相合成温度高（1260℃），Mg₂SiO₄陶瓷在合成和烧结过程中容易出现MgSiO₃第二相，这个第二相有较高的介电损耗，它的出现降低了Mg₂SiO₄陶瓷的微波介电性能。在对Mg₂SiO₄陶瓷研究工作中人们发现，SiO₂过量10%至20%的情况下，在1160～1240℃烧结均获得较纯的Mg₂SiO₄相，但过量SiO₂同样增大了材料的微波损耗。0vchar在2007年报道了MgO和SiO₂按摩尔比为2:1合成Mg₂SiO₄过程中，1200℃以下会产生MgSiO₃和MgO，在1300℃以上烧结可以获得纯的Mg₂SiO₄相。国内专利CN102659396A采用Mg₂SiO₄-BaTiO₃添加烧结助剂和掺杂剂，在1320～1380℃氧化气氛下烧结，制备了ε_r从3～8之间可调、Q·f值大于60000、温度系数控制在±20ppm/℃的微波介质材料。国内专利CN103319166A采用MgTiO₃-Mg₂SiO₄-CaTiO₃添加掺杂剂，制备了ε_r从10～22之间，温度系数控制在±10ppm/℃，在1320～1350℃氧化气氛下烧结的微波介质材料，都不能满足在还原气氛下烧结。主要是组成中含钛，含有钛离子的陶瓷在还原气氛烧结、或烧结温度过高都极易引起钛离子获得电子，这是些是弱束缚电子，在电场作用下导致电性能下降。