阅读说明：本技术 一种低烧结温度低介微波介质陶瓷及其制备方法 (low sintering temperature and low dielectric microwave dielectric ceramic and preparation method thereof ) 是由 王丹 吉岸 王晓慧 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低烧结温度低介微波介质陶瓷,该微波介质陶瓷是由主料和辅料复合而成,主料的组成表达式为(1-x-y)MgSiO<Sub>3</Sub>-xMg<Sub>2</Sub>TiO<Sub>4</Sub>-ySrSiTiO<Sub>5</Sub>,其中,x,y,(1-x-y)均代表摩尔比,x＝0.3,0＜y≤0.035,所述辅料为CuO-ZnO,其中,主料的质量分数为a,辅料的质量分数为b,0≤b≤1％,a+b＝1。本发明还公开了该低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法。该微波介质陶瓷介电常数低,适用范围广,损耗低,烧结温度较低。(the invention discloses a low-sintering-temperature and low-dielectric microwave dielectric ceramic which is formed by compounding a main material and an auxiliary material, wherein the main material has a composition expression of (1-x-y) MgSiO3-xMg2TiO4-ySrSiTiO5, wherein x, y and (1-x-y) respectively represent a molar ratio, x is 0.3, y is more than 0 and less than or equal to 0.035, and the auxiliary material is CuO-ZnO, wherein the main material has a mass fraction of b, the auxiliary material has a mass fraction of b which is more than or equal to 0 and less than or equal to 1, and a + b is 1. The invention also discloses a preparation method of the low sintering temperature and low dielectric microwave dielectric ceramic. The microwave dielectric ceramic has the advantages of low dielectric constant, wide application range, low loss and low sintering temperature.)

一种低烧结温度低介微波介质陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于电子陶瓷及其制备技术领域，具体地，涉及一种低烧结温度低介微波介质陶瓷及其制备方法。

背景技术

微波介质陶瓷作为一种新型电子材料，在现代通信中被用作谐振器、滤波器、介质基片、介质天线、介质导波回路等，广泛应用于微波技术的许多领域，如移动通讯、卫星通讯和军用雷达等。随着科学技术日新月异的发展，通信信息量的迅猛增加，以及人们对无线通信的要求，使用卫星通讯和卫星直播电视等微波通信系统己成为当前通信技术发展的必然趋势，这就使得微波材料在民用方面的需求逐渐增多，如手机、汽车电话、蜂窝无绳电话等移动通信和卫星直播电视等新的应用装置。

具有不同介电常数的陶瓷在应用中会有所差别。介电常数在20～40的介质陶瓷在高频下具有低的介电损耗，主要在移动通信基站、卫星通信等领域作为谐振器、滤波器等使用。介电常数小于10的介质陶瓷例如Al₂O₃一般作为基板材料、电子产品封装材料等，主要是这类材料能满足一定的绝缘性能，还可以缩短信号的延迟时间。

Al₂O₃的性能优异、化学稳定性好，但是其烧结温度较高，很难烧结成瓷。因此本发明以MgSiO₃为基础材料，采用多相复合及添加助剂的方式来得到一种低烧结温度低介电常数且微波介电性能优异的陶瓷材料。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种低烧结温度低介微波介质陶瓷及其制备方法；该微波介质陶瓷介电常数低，适用范围广，损耗低，烧结温度较低。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

该低烧结温度低介微波介质陶瓷是由主料和辅料复合而成，主料的组成表达式为(1-x-y)MgSiO₃-xMg₂TiO₄-ySrSiTiO₅，其中，x，y，(1-x-y)均代表摩尔比，x＝0.3，0＜y≤0.035，所述辅料为CuO-ZnO，其中，主料的质量分数为a，辅料的质量分数为b，0≤b≤1％，a+b＝1。

上述技术方案中，CuO-ZnO辅料是通过CuO和ZnO按照1:1的摩尔比配制而成。

本发明还提供了一种低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式(1-x-y)MgSiO₃-xMg₂TiO₄-ySrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中进行焙烧，得到主料，该组成表达式(1-x-y)MgSiO₃-xMg₂TiO₄-ySrSiTiO₅中，x，y，(1-x-y)均代表摩尔比，x＝0.3，0＜y≤0.035；

(2)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：按照质量百分数分别称取CuO-ZnO辅料和步骤(1)制备的主料，将主料和辅料进行混合，然后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成型，最后烧结得到该低介微波介质陶瓷；其中，主料的质量分数为a，辅料的质量分数为b，0≤b≤1％，a+b＝1。

优选的，步骤(1)中的焙烧过程是在950～1050℃下焙烧保温3～5h。

上述制备方法中，CuO-ZnO辅料的制备过程为：将ZnO和CuO混合充分后球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中进行焙烧，得到CuO-ZnO辅料。

其中，制备CuO-ZnO辅料时，CuO和ZnO的摩尔比为1:1。

优选的，制备CuO-ZnO辅料时的焙烧过程是在600～650℃下焙烧保温3～5h。

优选的，步骤(2)中，过筛后的颗粒被压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体。

优选的，步骤(2)中的烧结过程是在1100～1250℃下烧结4小时。

更优选的，步骤(2)中的烧结过程是在1100～1200℃下烧结4小时。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的微波介质陶瓷中，在MgSiO₃中引入Ti源和Sr源，形成MgSiO₃-Mg₂TiO₄-SrSiTiO₅复合相，从而可以在降低烧结温度的同时提高温度稳定性。SrSiTiO₅的引入可以提高陶瓷材料的可烧结性，降低其烧结温度；但是SrSiTiO₅会使得陶瓷的烧结温度区间变小，大概为1250℃～1260℃，也就是说在低于1250℃时，材料无法形成致密陶瓷，损耗较大，但高于1260℃时陶瓷会因为过烧而变形，这些不利于实际生产应用，因此添加一定比例的CuO-ZnO烧结助剂，使其可以在较低温度下致密烧结，降低损耗，提高其微波介电性能。

另外，本发明通过设计各个组分的引入以及调整各个组分的配比，可以得到介电常数为9.5左右，损耗低且谐振频率温度系数近零的低介陶瓷材料。

本发明的微波介质陶瓷的相对介电常数为9-10，微波性能Qf＝41000-84000GHz，谐振频率温度系数为-12.7ppm/℃～-1.5ppm/℃，烧结温度可低至1100℃～1200℃。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的低烧结温度低介微波介质陶瓷是由主料和辅料复合而成，主料的组成表达式为(1-x-y)MgSiO₃-xMg₂TiO₄-ySrSiTiO₅，其中，x，y，(1-x-y)均代表摩尔比，x＝0.3，0＜y≤0.035，所述辅料为CuO-ZnO，其中，主料的质量分数为a，辅料的质量分数为b，0≤b≤1％，a+b＝1。

上述技术方案中，辅料中的CuO-ZnO是通过CuO和ZnO按照1:1的摩尔比配制而成。

本发明还提供了一种低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式(1-x-y)MgSiO₃-xMg₂TiO₄-ySrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中进行焙烧，得到主料，该组成表达式(1-x-y)MgSiO₃-xMg₂TiO₄-ySrSiTiO₅中，x，y，(1-x-y)均代表摩尔比，x＝0.3，0＜y≤0.035；

步骤二，制备该微波介质陶瓷的辅料：将ZnO和CuO混合充分后球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中进行焙烧，得到CuO-ZnO辅料；

步骤三，制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：按照质量百分数分别称取步骤一制备的主料和步骤二制备的辅料，将主料和辅料进行混合，然后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成型，最后烧结得到该低介微波介质陶瓷；其中，主料的质量分数为a，辅料的质量分数为b，0≤b≤1％，a+b＝1。

其中，步骤一中的焙烧过程是在950～1050℃下焙烧保温3～5h。

上述制备方法中，步骤二中的CuO和ZnO的摩尔比为1:1。

其中，步骤二中的的焙烧过程是在600～650℃下焙烧保温3～5h。

其中，步骤三中，过筛后的颗粒被压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体。

其中，步骤三中的烧结过程是在1100～1250℃下烧结4小时。

以下的实施例将对本发明作进一步的说明，但并不因此限制本发明。

实施例1

本实施例1的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.695MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.005SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取主料，不加入辅料，将主料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1250℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例1得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例2

本实施例2的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.69MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.01SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取主料，不加入辅料，将主料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1250℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例2得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例3

本实施例3的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.685MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.015SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取主料，不加入辅料，将主料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1250℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例3得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例4

本实施例4的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.68MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.02SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取主料，不加入辅料，将主料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1250℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例4得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例5

本实施例5的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.675MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.025SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取主料，不加入辅料，将主料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1250℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例5得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例6

本实施例6的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.67MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.03SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取主料，不加入辅料，将主料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1250℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例6得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例7

本实施例7的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.665MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.035SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取主料，不加入辅料，将主料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1250℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例7得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例8

本实施例8的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.675MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.025SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备该微波介质陶瓷的辅料：将ZnO和CuO按照1:1的摩尔比混合充分后球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中进行焙烧，得到CuO-ZnO辅料；

(3)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取99.8％的主料和0.2％的辅料，将主料和辅料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1200℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例8得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例9

本实施例9的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.675MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.025SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备该微波介质陶瓷的辅料：将ZnO和CuO按照1:1的摩尔比混合充分后球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中进行焙烧，得到CuO-ZnO辅料；

(3)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取99.6％的主料和0.4％的辅料，将主料和辅料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1180℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例9得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例10

本实施例10的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.675MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.025SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备该微波介质陶瓷的辅料：将ZnO和CuO按照1:1的摩尔比混合充分后球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中进行焙烧，得到CuO-ZnO辅料；

(3)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取99.4％的主料和0.6％的辅料，将主料和辅料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1180℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例10得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例11

本实施例11的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.675MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.025SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备该微波介质陶瓷的辅料：将ZnO和CuO按照1:1的摩尔比混合充分后球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中进行焙烧，得到CuO-ZnO辅料；

(3)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取99.2％的主料和0.8％的辅料，将主料和辅料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1140℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例11得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

实施例12

本实施例12的低烧结温度低介微波介质陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备该微波介质陶瓷的主料：先将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃按照组成表达式0.675MgSiO₃-0.3Mg₂TiO₄-0.025SrSiTiO₅中的对应元素的摩尔比配料，将MgO、SiO₂、TiO₂、SrCO₃混合后充分球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中，在1000℃下进行焙烧4h，得到主料；

(2)制备该微波介质陶瓷的辅料：将ZnO和CuO按照1:1的摩尔比混合充分后球磨，球磨后烘干、过筛，再放入刚玉坩埚中进行焙烧，得到CuO-ZnO辅料；

(3)制备低烧结温度低介微波介质陶瓷：称取99％的主料和1％的辅料，将主料和辅料混合后充分球磨，再经过烘干、造粒和过筛，将过筛后的混合粉料压制成直径为10mm，高度为6mm的圆柱体，在1100℃下烧结4小时，得到该低介微波介质陶瓷。

将该实施例12得到的微波介质陶瓷利用微波网络分析仪对其微波介电性能进行测试，性能测试结果如表一所示。

表一实施例1至12所得的微波介质陶瓷的性能测试结果

由表1可知，本发明实施例1-12所得的微波介质陶瓷的相对介电常数为9-10，微波性能Qf＝41000-84000GHz，谐振频率温度系数为-12.7ppm/℃～-1.5ppm/℃，烧结温度低，制备时如果加入CuO-ZnO辅料，烧结温度可低至1100℃～1200℃，实现低烧结温度和低介电常数的需求。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。