一种微波介质陶瓷及其制备方法与流程

1.本发明涉及功能电子陶瓷材料技术领域，尤其是，本发明涉及一种微波介质陶瓷及其制备方法。


背景技术：

2.微波介质陶瓷是指应用于微波频段（300mhz~300ghz）电路中作为微波通讯系统中无源器件（如谐振器、滤波器、天线等）的关键介质材料。微波介质陶瓷最重要的三个性能评价指标分别为陶瓷的介电常数，品质因数qf值与谐振频率温度系数τf。其中，介电常数大小与器件尺寸小型化密切相关；品质因数为介电损耗的倒数，即qf值越大，介电损耗越低；谐振频率温度系数代表材料谐振频率随外界温度的漂移程度。
3.近几十年来，随着无线通讯技术的迅猛发展，微波介质陶瓷得到了广泛关注。此外，随着人们对信息传输内容、速度及质量等要求的不断提高，新一代信息技术如5g 移动通信，物联网（iot）技术等不断涌现，微波通信频率逐渐朝着微波更高频段方向发展。由电介质经典色散理论可知，介电损耗随频率的增加而逐渐增大。因此，为满足微波介质陶瓷的应用需求，学术界和工业界对微波介质陶瓷的综合性能、尤其是低损耗化提出了更高的要求。科学家们正在积极开发低损耗微波介质陶瓷（即高品质因数qf 》 10000ghz）的新型微波介质陶瓷以抑制信号能量衰减；同时关注介电常数的提高以实现器件的小型化。
4.目前，钨酸盐基微波介质陶瓷得到了广泛研究，其中所研究的成分主要以li2wo4和mwo4（m=mg、ca、sr等）为主，如中国专利cn201110416939.2公开了一种低介电常数微波介质陶瓷及其制备方法，其瓷料组成为：al2o3 awt�la2(zr0.1ti0.9)4o
12
bwt�wo4 cwt%[xbao ywo3]，由相应的氧化物和碳酸盐按一定的摩尔比例分别合成上述添加物bala2(zr
0.1
ti
0.9
)4o
12
和bawo4，再将其与al2o3、baco3和wo3原料按上述方案中所述的瓷料组成进行湿磨混合、烘干后加入聚乙烯醇(pva)压制成型，在箱式炉或隧道炉中烧结1~4h制成。该发明的微波介质陶瓷介电常数在9~12之间，由于其介电常数较低（一般εr《10），不能够很好地满足器件小型化的需要。


技术实现要素：

[0005]
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微波介质陶瓷及其制备方法。
[0006]
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供一种微波介质陶瓷，所述微波介质陶瓷的化学组成表达式为nandmgwo6，晶体结构为单斜结构，空间群为c2/m。
[0007]
进一步地，所述微波介质陶瓷的相对介电常数为14.5～15.7，品质因数qf为 10850～20500ghz，谐振频率温度系数τ
f 为
–
56ppm/℃～
–
42ppm/℃。
[0008]
本发明还提供一种微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
（1）配料：将原料na2co3、nd2o3、mgo、wo3按照nandmgwo6的化学计量比进行配料；（2）混料：将配料得到的混合物料、无水乙醇进行湿法球磨，得到泥浆状原料；（3）烘干：将所述泥浆状原料烘干至恒重，得到干燥的混合料；（4）预烧：将所述混合料过筛分散后进行预烧处理，制得nandmgwo6粉体；（5）球磨：向所述nandmgwo6粉体中加入无水乙醇，进行二次研磨，形成nandmgwo6浆料；（6）烘干：将所述nandmgwo6浆料烘干至恒重，得到nandmgwo6化合物粉末；（7）压片：将所述nandmgwo6化合物粉末过筛，取筛下料压制成生坯；（8）烧结：将所述生坯进行烧结处理，得到nandmgwo6微波介质陶瓷；（9）陶瓷表面磨削抛光：将烧结后所得的所述nandmgwo6微波介质陶瓷表面进行研磨抛光。
[0009]
优选地，所述步骤（4）中，所述预烧处理温度为1100～1200℃，时间为1~4h。
[0010]
优选地，所述步骤（8）中，所述烧结处理的温度为1500～1600℃，时间为1~4h。
[0011]
进一步地，所述步骤（4）中，所述预烧处理的升温速率为5℃/min~10℃/min，所述预烧处理后自然冷却至室温。
[0012]
进一步地，所述步骤（8）中，所述烧结处理的升温速率为1℃/min~5℃/min。
[0013]
更进一步地，所述步骤（8）中，所述烧结处理后先以1℃/min~5℃/min的速度降温至1100～1200℃，然后自然冷却至室温。
[0014]
优选地，所述步骤（2）与所述步骤（5）中，球磨珠为zro2。
[0015]
优选地，混合物料、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3。
[0016]
与现有技术相比，本发明的技术效果体现在：本发明的一种微波介质陶瓷具有优异的微波介电性能，能满足微波通讯系统中无源器件的需求。且本发明的微波介质陶瓷介电常数高于常见的li2wo4和mwo4（m=mg、ca、sr等）钨酸盐体系，有利于实现器件的小型化。
[0017]
本发明的一种微波介质陶瓷的制备方法制备过程中采用价格相对较为低廉的氧化物粉末为原料，制备工艺为标准的固相反应法，制备过程中化学计量比控制精准，工艺简单，重复性好且合成的物相稳定单一，无第二相存在。
[0018]
本发明的附加优点、目的以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其他的优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现并获得。
[0019]
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
[0020]
图1为本发明实施例1提供的一种微波介质陶瓷nandmgwo6的xrd图及其精修结果；图2为本发明实施例1提供的一种微波介质陶瓷nandmgwo6的晶体结构图；图3本发明实施例4提供的一种的微波介质陶瓷nandmgwo6的扫描电子显微照片。
具体实施方式
[0021]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0022]
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。
[0023]
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0024]
本发明实施例提供一种微波介质陶瓷，该微波介质陶瓷的化学组成表达式为nandmgwo6，晶体结构为单斜结构，空间群为c2/m。
[0025]
进一步地，该微波介质陶瓷的相对介电常数为14.5～15.7，品质因数qf为 10850～20500ghz，谐振频率温度系数τ
f 为
–
56ppm/℃～
–
42ppm/℃。
[0026]
本发明实施例还提供一种微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：（1）配料：将原料na2co3、nd2o3、mgo、wo3按照nandmgwo6的化学计量比进行配料；优选地，选用高纯的化学原料，其纯度大小分别为na2co
3 （99.9%）、nd2o3（99.99%）、mgo（99.99%）、wo3（99.99%）。
[0027]
（2）混料：将配料得到的混合物料、无水乙醇进行湿法球磨，得到泥浆状原料；球磨使用行星式球磨机，转速范围为150r/min~200r/min，球磨珠为zro2。混合物料、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比优选为1:6:3。
[0028]
（3）烘干：将泥浆状原料置入烘箱中烘干至恒重，得到干燥的混合料；（4）预烧：将混合料过筛分散后置入高温炉中进行预烧处理，制得nandmgwo6粉体；预烧处理温度可选为1100～1200℃，如1120℃、1160℃、1180℃等；预烧处理时间为1~4h，如2h、3h等。预烧处理的升温速率可选为5℃/min~10℃/min，预烧处理后自然冷却至室温。
[0029]
（5）球磨：向nandmgwo6粉体中加入无水乙醇，置于球磨机中进行二次研磨，形成nandmgwo6浆料；球磨机的转速范围为150r/min~200r/min，球磨珠为zro2。nandmgwo6粉体、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比优选为1:6:3。
[0030]
（6）烘干：将nandmgwo6浆料置于烘箱中烘干至恒重，得到nandmgwo6化合物粉末；（7）压片：将nandmgwo6化合物粉末过筛，取筛下料压制成圆柱体生坯；（8）烧结：将圆柱体生坯进行烧结处理，得到nandmgwo6微波介质陶瓷；烧结处理的温度可选为1500～1600℃，如1525℃、1550℃、1575℃等；时间为1~4h，如2h、3h等。烧结处理的升温速率可选为1℃/min~5℃/min。烧结处理后先以1℃/min~5℃/min的速度降温至1100～1200℃，然后自然冷却至室温。
[0031]
（9）陶瓷表面磨削抛光：将烧结后所得的nandmgwo6微波介质陶瓷表面进行研磨抛光。
[0032]
本发明的一种微波介质陶瓷具有优异的微波介电性能，能满足微波通讯系统中无
源器件的需求。且本发明的微波介质陶瓷介电常数高于常见的li2wo4和mwo4（m=mg、ca、sr等）钨酸盐体系，有利于实现器件的小型化。
[0033]
本发明的一种微波介质陶瓷的制备方法制备过程中采用价格相对较为低廉的氧化物粉末为原料，制备工艺为标准的固相反应法，制备过程中化学计量比控制精准，工艺简单，重复性好且合成的物相稳定单一，无第二相存在。
[0034]
以下结合具体实施例做进一步说明。
[0035]
实施例1本发明实施例1提供一种微波介质陶瓷nandmgwo6及其制备方法，包括以下步骤：（1）配料：将原料na2co3（纯度99.9%）、nd2o3（纯度99.99%）、mgo（纯度99.99%）、wo3（纯度99.99%）按照nandmgwo6的化学计量比进行配料；（2）混料：将配料得到的物料、zro2球磨珠、无水乙醇按照预设的质量比置于球磨机中进行湿法球磨，得到泥浆状原料，球磨使用行星式球磨机，转速为150r/min，物料、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；（3）烘干：将步骤（2）的泥浆状原料置入烘箱中烘干至恒重，得到干燥的混合料；（4）预烧：将步骤（3）的混合料过筛分散，然后置入高温炉中以10℃/min的速度将温度升至1100℃预烧3h，预烧结束后自然冷却至室温，制得nandmgwo6粉体；（5）球磨：将步骤（4）的nandmgwo6粉体加入无水乙醇，置于球磨机中二次研磨，转速为150r/min，形成nandmgwo6浆料；nandmgwo6粉体、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；（6）烘干：将步骤（5）的浆料置于烘箱中烘干至恒重，得到nandmgwo6化合物粉末；（7）压片：将步骤（6）所得的粉末过筛，取筛下料压制成圆柱体生坯；（8）烧结：将圆柱体生坯以5℃/min的速度升至1500℃烧结3h，然后以2℃/min的速度降温至1100℃，最后自然降温进行烧结，得到nandmgwo6微波介质陶瓷；（9）陶瓷表面磨削抛光：将烧结后所得的陶瓷表明进行研磨抛光。
[0036]
如下表1所示，本实施例的微波介质陶瓷nandmgwo6的相对致密度为91.6%，介电常数为14.5，品质因数为10850ghz，谐振频率温度系数为
–
56ppm/℃。
[0037]
图1为本实施例的微波介质陶瓷nandmgwo6的xrd图谱及精修结果。由图可知本实施例成功合成了nandmgwo6物相，且从精修结果中：优异的可靠性参数（r
p
=7.07%, r
wp
=9.63%，r
exp
=5.88%，χ2=2.68）可知在该实施例中不存在其他第二相。此外，图2还给出了精修结果对应的晶体结构示意图，由图可知，nandmgwo6晶体结构为单斜结构，空间群为c2/m。
[0038]
以下实施例的微波介质陶瓷nandmgwo6的xrd图谱同本实施例，之后不赘述。
[0039]
实施例2本发明实施例2提供一种微波介质陶瓷nandmgwo6及其制备方法，包括以下步骤：（1）配料：将原料na2co
3 （纯度99.9%）、nd2o3（纯度99.99%）、mgo（纯度99.99%）、wo3（纯度99.99%）按照nandmgwo6的化学计量比进行配料；（2）混料：将配料得到的物料、zro2球磨珠、无水乙醇按照预设的质量比置于球磨机中进行湿法球磨，得到泥浆状原料，球磨使用行星式球磨机，转速为150r/min，物料、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；（3）烘干：将步骤（2）的泥浆状原料置入烘箱中烘干至恒重，得到干燥的混合料；
（4）预烧：将步骤（3）的混合料过筛分散，然后置入高温炉中以10℃/min的速度将温度升至1100℃预烧3h，预烧结束后自然冷却至室温，制得nandmgwo6粉体；（5）球磨：将步骤（4）的nandmgwo6粉体加入无水乙醇，置于球磨机中二次研磨，转速为150r/min，形成nandmgwo6浆料；nandmgwo6粉体、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；（6）烘干：将步骤（5）的浆料置于烘箱中烘干至恒重，得到nandmgwo6化合物粉末；（7）压片：将步骤（6）所得的粉末过筛，取筛下料压制成圆柱体生坯；（8）烧结：将圆柱体生坯以5℃/min的速度升至1525℃烧结3h，然后以2℃/min的速度降温至1100℃，最后自然降温进行烧结，得到nandmgwo6微波介质陶瓷；（9）陶瓷表面磨削抛光：将烧结后所得的陶瓷表明进行研磨抛光。
[0040]
如下表1所示，本实施例的微波介质陶瓷nandmgwo6的相对致密度为92.5%，介电常数为14.9，品质因数为13570ghz，谐振频率温度系数为
–
52.5ppm/℃。
[0041]
实施例3本发明实施例3提供一种微波介质陶瓷nandmgwo6及其制备方法，包括以下步骤：（1）配料：将原料na2co
3 （纯度99.9%）、nd2o3（纯度99.99%）、mgo（纯度99.99%）、wo3（纯度99.99%）按照nandmgwo6的化学计量比进行配料；（2）混料：将配料得到的物料、zro2球磨珠、无水乙醇按照预设的质量比置于球磨机中进行湿法球磨，得到泥浆状原料，球磨使用行星式球磨机，转速为150r/min，物料、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；（3）烘干：将步骤（2）的泥浆状原料置入烘箱中烘干至恒重，得到干燥的混合料；（4）预烧：将步骤（3）的混合料过筛分散，然后置入高温炉中以10℃/min的速度将温度升至1100℃预烧3h，预烧结束后自然冷却至室温，制得nandmgwo6粉体；（5）球磨：将步骤（4）的nandmgwo6粉体加入无水乙醇，置于球磨机中二次研磨，转速为150r/min，形成nandmgwo6浆料；nandmgwo6粉体、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；（6）烘干：将步骤（5）的浆料置于烘箱中烘干至恒重，得到nandmgwo6化合物粉末；（7）压片：将步骤（6）所得的粉末过筛，取筛下料压制成圆柱体生坯；（8）烧结：将圆柱体生坯以5℃/min的速度升至1550℃烧结3h，然后以2℃/min的速度降温至1100℃，最后自然降温进行烧结，得到nandmgwo6微波介质陶瓷；（9）陶瓷表面磨削抛光：将烧结后所得的陶瓷表明进行研磨抛光。
[0042]
如下表1所示，本实施例的微波介质陶瓷nandmgwo6的相对致密度为93.2%，介电常数为15.1，品质因数为16570ghz，谐振频率温度系数为
–
49ppm/℃。
[0043]
实施例4本发明实施例4提供一种微波介质陶瓷nandmgwo6及其制备方法，包括以下步骤：（1）配料：将原料na2co
3 （纯度99.9%）、nd2o3（纯度99.99%）、mgo（纯度99.99%）、wo3（纯度99.99%）按照nandmgwo6的化学计量比进行配料；（2）混料：将配料得到的物料、zro2球磨珠、无水乙醇按照预设的质量比置于球磨机中进行湿法球磨，得到泥浆状原料，球磨使用行星式球磨机，转速为150r/min，物料、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；
（3）烘干：将步骤（2）的泥浆状原料置入烘箱中烘干至恒重，得到干燥的混合料；（4）预烧：将步骤（3）的混合料过筛分散，然后置入高温炉中以10℃/min的速度将温度升至1100℃预烧3h，预烧结束后自然冷却至室温，制得nandmgwo6粉体；（5）球磨：将步骤（4）的nandmgwo6粉体加入无水乙醇，置于球磨机中二次研磨，转速为150r/min，形成nandmgwo6浆料；nandmgwo6粉体、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；（6）烘干：将步骤（5）的浆料置于烘箱中烘干至恒重，得到nandmgwo6化合物粉末；（7）压片：将步骤（6）所得的粉末过筛，取筛下料压制成圆柱体生坯；（8）烧结：将圆柱体生坯以5℃/min的速度升至1575℃烧结3h，然后以2℃/min的速度降温至1100℃，最后自然降温进行烧结，得到nandmgwo6微波介质陶瓷；（9）陶瓷表面磨削抛光：将烧结后所得的陶瓷表明进行研磨抛光。
[0044]
如下表1所示，本实施例的微波介质陶瓷nandmgwo6的相对致密度为95.2%，介电常数为15.4，品质因数为20500ghz，谐振频率温度系数为
–
43ppm/℃。
[0045]
如图3所示，为本实施例的微波介质陶瓷nandmgwo6的扫描电子显微照片，表明本实施例的微波介质陶瓷nandmgwo6获得了致密的微观结构且晶粒尺寸分布均匀。
[0046]
实施例5本发明实施例5提供一种微波介质陶瓷nandmgwo6及其制备方法，包括以下步骤：（1）配料：将原料na2co
3 （纯度99.9%）、nd2o3（纯度99.99%）、mgo（纯度99.99%）、wo3（纯度99.99%）按照nandmgwo6的化学计量比进行配料；（2）混料：将配料得到的物料、zro2球磨珠、无水乙醇按照预设的质量比置于球磨机中进行湿法球磨，得到泥浆状原料，球磨使用行星式球磨机，转速为150r/min，物料、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；（3）烘干：将步骤（2）的泥浆状原料置入烘箱中烘干至恒重，得到干燥的混合料；（4）预烧：将步骤（3）的混合料过筛分散，然后置入高温炉中以10℃/min的速度将温度升至1100℃预烧3h，预烧结束后自然冷却至室温，制得nandmgwo6粉体；（5）球磨：将步骤（4）的nandmgwo6粉体加入无水乙醇，置于球磨机中二次研磨，转速为150r/min，形成nandmgwo6浆料；nandmgwo6粉体、zro2球磨珠、无水乙醇溶剂的质量比为1:6:3；（6）烘干：将步骤（5）的浆料置于烘箱中烘干至恒重，得到nandmgwo6化合物粉末；（7）压片：将步骤（6）所得的粉末过筛，取筛下料压制成圆柱体生坯；（8）烧结：将圆柱体生坯以5℃/min的速度升至1600℃烧结3h，然后以2℃/min的速度降温至1100℃，最后自然降温进行烧结，得到nandmgwo6微波介质陶瓷；（9）陶瓷表面磨削抛光：将烧结后所得的陶瓷表明进行研磨抛光。
[0047]
如下表1所示，本实施例的微波介质陶瓷nandmgwo6的相对致密度为96.0%，介电常数为15.7，品质因数为19850ghz，谐振频率温度系数为
–
42ppm/℃。
[0048]
采用阿基米德排水法测定上述实施例中样品的相对密度，采用hakki-coleman提出的介质谐振腔法测试圆柱体陶瓷谐振频率下的微波介电性能，具体的性能参数见下表1。
[0049]
从上表1中看到，上述的五个实施例中，实施例5制备得到的微波介质陶瓷nandmgwo6的相对密度和介电常数最高，其值分别为96.0%和15.7；实施例4制备得到的微波介质陶瓷nandmgwo6的品质因数最好，其值为20500ghz。
[0050]
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。