[发明专利]一种具有复相结构低损耗微波介质陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低损耗微波介质陶瓷材料及其制备方法，特别是具有复相 结构与中等介电常数的低损耗微波介质陶瓷的配方及其制备方法。

背景技术

高性能微波介质陶瓷广泛地使用于现代3G移动通讯关键部件，如微波滤波 器、微波天线和介质导波回路中，是这些微波器件小型化、高品质化和集成化 的重要保障。衡量微波介质陶瓷材料性能优劣的三个重要的电学参数分别是： 相对介电常数ε_r、品质因数Qf及谐振频率温度系数τ_f，其中相对介电常数决定 着微波器件的最终尺寸，高介电常数的微波介质陶瓷是微波器件小型化的重要 保证。

目前在覆盖整个微波频率段的陶瓷材料中，人们对10cm以上微波波段(数 百MHz～3GHz)所用的微波介质材料已研究得比较成熟，开发出了一系列ε_r＞70 的高介电常数微波介质陶瓷材料，但由于微波介质陶瓷介电常数ε_r和品质因数 Qf之间内在物理制约机制，使得这些高介电常数微波介质陶瓷的品质因数Qf 往往小于10000GHz。而与此同时，随着民用移动通讯技术，包括手机、GPS、 卫星电视等，不断向着高频(第四代)、大信息量，高稳定度方向的发展，对微 波介质陶瓷的品质因数Qf和谐振频率温度系数τ_f势必会提出越来越严格的要 求。目前移动通讯市场对于3cm～10cm波段下(3～10GHz)的超低损耗 (Qf＞30000GHz)、高温度稳定(τ_f＜15ppm/℃)的中等介电常数(30～60)陶瓷 材料的需求很大。它们可望在卫星电视、无线基站、雷达导航及微波振荡器中 获得广泛应用。

目前国内外研发的一些中等介电常数的微波介质材料，如 (1-x)Ca_0.61Nd_0.26TiO₃+xNd(Mg_1/2Ti_1/2)O₃(胡明哲等，J.Appl.Phys. 104(2008)124104)、(1-x)CaTiO₃+xNdAlO₃(E.R.Kipkoech et al.，Acta Materialia， 54(2006)2305)及xNd(Zn_1/2Ti_1/2)O₃-(1-x)CaTiO3(Ching-Fang Tseng et al.，Materials Letters，61(2007)4054-4057)等单一钙钛矿结构的材料，尽管它们均具有超低 的介电损耗，但当其谐振频率温度系数τ_f≈0时，相对介电常数均难以超过50， 阻碍了微波滤波器等通讯元器件的进一步小型化。基于此技术背景，本发明公 开了一种具有复相结构(multiphase structure)的微波介质陶瓷材料，它除了主 相钙钛矿相外，还含有一种化学成分较为复杂的焦绿石相，其A位包含Ca²⁺及 Sr²⁺离子，B位则包含Nb⁵⁺、Ta⁵⁺、Ti⁴⁺、Al³⁺等离子。该陶瓷具有超低的介电损 耗和稳定的谐振频率温度系数，尤其是它具有相对介电常数大于50的电学特性。

一般认为，在钙钛矿结构的微波介质陶瓷中，焦绿石相这一副相的存在往 往会对陶瓷的最终微波介电性能产生严重的恶化作用。因为焦绿石相往往具有 大的谐振频率温度系数和极低的Qf值。但本发明的复相陶瓷中的焦绿石相却具 有很高的Qf值和大的相对介电常数，对最终陶瓷的Qf值和介电常数起到有益 的贡献。并且，通过合理地控制陶瓷中钙钛矿相和焦绿石相的相对含量，即可 用前者的负温度系数去“中和”后者的大的正温度系数，从而得到温度稳定性 良好的微波介质陶瓷。

发明内容

本发明提出一种具有复相结构、中等介电常数、低损耗、温度特性稳定的 微波介质陶瓷及其制备方法。