微波陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及信息功能材料，具體涉及一種超低損耗極限類Mgn+iTin〇3n+i微波陶瓷材 料。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于微波信號(hào)具有頻率高、波長(zhǎng)短、信息容量大以及穿透性強(qiáng)等特點(diǎn)，以致于在高 速發(fā)展的通信技術(shù)中，微波介質(zhì)材料作為不可或缺的一種新型材料，已成為世界范圍內(nèi)的 研究熱點(diǎn)之一。通常，評(píng)價(jià)微波介質(zhì)陶瓷的性能主要有相對(duì)介電常數(shù)（^)，品質(zhì)因子(Q)與 諧振頻率的乘積(QXf:Q=l/tan，tan為介電損耗)和諧振頻率溫度系數(shù)（T f)，三種參數(shù)相輔 相成又相互制約。目前，隨著通信設(shè)備涉及的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在不同的微波頻率范圍內(nèi)，都 需要有相應(yīng)的實(shí)用化微波介質(zhì)材料與之匹配。故而，許多傳統(tǒng)微波介質(zhì)材料已不再符合新 領(lǐng)域?qū)ζ浣殡娦阅艿母咭?，即新型微波材料的研制和探索迫在眉睫。其中，運(yùn)用于高端介 質(zhì)基板的超低損耗極限類微波介質(zhì)陶瓷材料也應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 近年來(lái)，用于介質(zhì)基板的材料多為低~高〇值微波陶瓷，這些材料的^通常介于10~ 25之間，同時(shí)具有相當(dāng)高的QXf值（100,000~200,000 GHz)，也是最早研究和得以實(shí)用化的 微波介質(zhì)陶瓷。這類材料主要是以復(fù)和鈣鈦礦a(b'b〃)o3系列固溶體材料為主，典型的代表 有Ba(Mg, Ta)03 (BMT)、Ba(Zn, Ta)03 (BZT)、Ba(Mg, Nb)03 (BMN)和Ba(Zn, Nb)03 (BZN)以 及以它們?yōu)榛w的復(fù)合、摻雜體系：BMT-Nd2〇3，BZT-BaZr03，BZT-B2〇3_CuO，BZN-Sr (Zm/ 3Nb2/3)03等。但這些材料的燒結(jié)溫度較高，不太容易滿足LCTT的應(yīng)用。而且為了改善信號(hào)延 遲的時(shí)間，這些傳統(tǒng)材料較高的Q值也并沒(méi)有達(dá)到新要求的標(biāo)準(zhǔn);這迫使研究者們必須開(kāi)發(fā) 研制出新型超高Q值低^的微波陶瓷材料。然而，需要正視的是，這類材料的開(kāi)發(fā)還處于起 步階段，只有少量的研究報(bào)道。
[0004] 在微波陶瓷體系中，若采用具有相反溫度系數(shù)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行復(fù)合，不論 是形成固溶體還是構(gòu)成了復(fù)相體系，新材料的Q值通常是在基體的Q值和與其復(fù)合的材料Q 值之間變化。如（l-x)CaTi03-xLaA103系列的QXf值就是在CaTi0 3 (QXf? 3600 GHz)與 LaA103 (QXf? 68,000 GHz)之間變化。要想獲得具有更高Q值的微波介質(zhì)陶瓷，并使其介電 常數(shù)保持在10~20內(nèi)，存在一定的難度。然而，Mg n+1Tin03n+1(l < η <⑴)材料則是一個(gè)不 錯(cuò)的選擇，因?yàn)镸gn+iTin〇3n+i化合物中含有Ruddlesden-Popper (R-P)同源層狀f丐鈦礦結(jié)構(gòu)， 當(dāng)η值較小時(shí)該體系形成復(fù)相結(jié)構(gòu)；隨著η值逐漸增加，體系則轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袑訝钼}鈦礦結(jié)構(gòu) 與純MgTi〇3共存的新型化合物;而當(dāng)η值進(jìn)一步增大時(shí)，體系晶體結(jié)構(gòu)則接近于純MgTi〇3相 成分;當(dāng)η值為無(wú)窮大時(shí)，體系結(jié)構(gòu)雖接近Mg : Ti ?1 : 1，但雜相又再次出現(xiàn)。其中，這種 特殊R-P相的存在也是使得Mgn+1Tin0 3n+1材料的Q值不是簡(jiǎn)單的在MgTi03 (QXf ? 166， 400GHz)與其它相的Q值之間變化，而是出現(xiàn)了一種晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與原子進(jìn)一步有序排 列的層結(jié)構(gòu)共同引起的Q值疊加效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種適用于高端介質(zhì)基板，制備工藝簡(jiǎn)單且具有極低損耗低 介電Mgn+1Tin〇 3n+1(n = 2，3，4···50)微波陶瓷，其QXf值幾乎接近于已有電介質(zhì)基礎(chǔ)理論 可解釋的最大極限值范疇~400,000 GHz。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是： 一種超低損耗極限類Mgn+1Tin〇3n+1微波陶瓷，其組成通式為:Mg n+1Tin〇3n+1，式中，η = 2，3，4，5，6，7.·_50〇
[0007] -種超低損耗極限類Mgn+1Tin03n+1微波陶瓷的制備方法，包括如下步驟： (1)合成Mgn+1Tin〇3n+1粉體:設(shè)計(jì)試樣成分:η = 2、3、4、5、6、7···50，并按照化學(xué)計(jì)量比 稱量原料粉體MgO和Ti02，混合，將所得混合粉體24小時(shí)球磨后烘干過(guò)100目篩，在1100°C下 保溫2小時(shí)進(jìn)行預(yù)燒，把預(yù)燒后的粉體進(jìn)行二次球磨12小時(shí)后過(guò)200篩，獲得Mg n+iTin〇3n+i合 成粉體。
[0008] (2)壓制成型：將步驟（1)獲得的Mgn+1Tin0 3n+1合成粉體加入5wt%聚乙烯醇混合均 勻，烘干后細(xì)磨，在成型機(jī)上壓制成圓柱形坯體； (3燒結(jié):將步驟(2)所得圓柱形坯體在1340~1380°C溫度下燒結(jié)4小時(shí)成瓷，即獲得超低 損耗極限類Mgn+1Tin〇3n+1微波陶瓷。
[0009] 所述圓柱形還體的最優(yōu)燒結(jié)溫度為1360°C。
[0010] 本發(fā)明制備的超低損耗極限類Mgn+1Tin03n+1微波陶瓷，經(jīng)性能測(cè)試后表明：相對(duì)于 181^〇3(￡:=17,〇\€? 166,4006抱和4?-50??111/。(：）與]\%211〇4(￡:=14.2,〇\€?160， 000 GHz和Tf?-60ppm/°C)陶瓷的微波介電性能，Mgn+1Tin〇 3n+1 (η = 5)微波陶瓷能夠獲得 更高的QXf值~382,500 GHz (fQ= 7.534 GHz),而介電常數(shù)εΓ介于14.9~16.4之間，且諧 振頻率溫度系數(shù)Tf約為_(kāi)55ppm/°C。它們的和τΗ直與MgTi0 3、Mg2Ti〇4的相比變化不大，但Q Xf值卻有極其顯著的提高。預(yù)計(jì)進(jìn)一步調(diào)節(jié)溫度系數(shù)（i f)接近于零時(shí)，Mgn+1Tin〇3n+1 (η = 5)微波陶瓷體系有望作為介質(zhì)基板的主要材料應(yīng)用于各高頻領(lǐng)域的高端大型通信設(shè)備的 微波電路中。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為室溫下MgTi〇3和Mgn+1Tin〇3n+1系列樣品在1360°C燒結(jié)4h的XRD圖譜； 圖2為Mgn+1Tin03n+1系列樣品的介電常數(shù)(er)與品質(zhì)因子(QXf)與η值的關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面通過(guò)10個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明絕非僅 限于所述的實(shí)施例。
[0013] 實(shí)施例1 制備Mg3Ti2〇7陶瓷樣品； 其制備方法，包括如下步驟： (1)合成Mg3Ti2〇7粉體:按原料以MgO: Ti02 = 3 : 2摩爾比例混合，把所得混合粉體24 小時(shí)球磨后烘干過(guò)100目篩，在ll〇〇°C下保溫時(shí)間2小時(shí)進(jìn)行預(yù)燒，把預(yù)燒后的粉體進(jìn)行二 次球磨12小時(shí)后過(guò)200篩，獲得Mg 3Ti2〇7合成粉體。
[00M] (2)壓制成型:把步驟（1)獲得的Mg3Ti2〇7瓷料加入5wt%聚乙烯醇混合均勻，烘干后 細(xì)磨，在成型機(jī)上壓制成圓柱形坯體； (3)燒結(jié):將步驟(2)所得圓柱形坯體在1360°C溫度下燒結(jié)4小時(shí)成瓷，即獲得超低損耗 極限類Mg3Ti2〇7微波陶瓷。
[0015]通過(guò)XRD衍射圖譜分析Mg3Ti2〇7物相，確定其粉體物相組成，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析測(cè) 試其微波介電性能。性能測(cè)試表明：在1360 °C燒結(jié)4小時(shí)，其介電常數(shù)^為15.8，諧振頻率溫 度系數(shù)Tf為-58.1 ppm/°C，QXf值為211,600 GHz (f〇= 7.843 GHz)。
[0016] 實(shí)施例2 制備Mg4Ti3〇1Q陶瓷樣品； 其制備方法，除按原料以MgO: Ti02 = 4