[发明专利]一种微波陶瓷介质材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及微波陶瓷介质材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着微波通讯技术的迅速发展，高性能微波介质陶瓷的研究日益受到重视。微波介质陶瓷可以用来制作滤波器、谐振器、介质导波回路等微波元器件和微波电路的介质基片，已被广泛应用于卫星、电视、雷达、移动通讯和电子计算机等众多领域。国务院早在2009年《电子信息产业调整振兴规划纲要》的文件提出研制介电常数系列化、微波介电性能优异的介质陶瓷的重要性。高介电常数、高品质因数、频率温度系数接近零且烧结温度低是微波介质陶瓷的重点研究发展方向。

具有钛铁矿结构的偏钛酸镁（MgTiO₃）因其原料相对廉价、微波性能优异，成为一种重要的微波介质陶瓷材料。钛酸镁陶瓷具有三种不同的化合物形式：正钛酸镁（Mg₂TiO₃）、偏钛酸镁（MgTiO₃）和二钛酸镁（MgTi₂O₄），其中二钛酸镁（MgTi₂O₄）微波损耗相比较大。但合成MgTiO₃的过程中存在非常复杂的反应，很难控制合成单一的MgTiO₃。如果原料中MgO过量，在小于800℃时，存在如下反应：2MgO+TiO₂=Mg₂TiO₄；在1280℃的高温下，Mg₂TiO₄+TiO₂=MgTi₂O₅。同时MgTiO₃的频率温度系数为-50ppm/℃，严重制约了该材料的直接应用。通常引入正温度系数的材料CaTiO₃、SrTiO₃和(Na_0.5La_0.5)TiO₃等材料来调节频率温度系数，但这样会增大材料的微波损耗。在2007年有人研究发现采用Co²⁺和Zn²⁺取代MgTiO₃结构的A位的Mg²⁺，通过晶格畸变和阳离子尺寸效应可以有效提高MgTiO₃品质因数。

镁橄榄石(Mg₂SiO₄)具有低的介电常数、较高的Q×f值，相比Al₂O₃陶瓷具有低的烧结温度，适合作为低介电常数介质谐振器的一种微波介质材料。Mg₂SiO₄陶瓷作为介质谐振器材料往往具有以下缺陷。首先，Mg₂SiO₄陶瓷具有较大的负谐振频率温度系数（-67ppm/℃）；其次，Mg₂SiO₄陶瓷烧结过程中容易出现MgSiO₃第二相，这个第二相具有较高的介电损耗，它的出现降低了Mg₂SiO₄陶瓷的微波介电性能。对Mg₂SiO₄陶瓷研究工作一直没有停止，人们发现在SiO₂过量10%至20%的配比下，于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。Ovchar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。

目前，报道能够做到介电常数ε_r从10-22之间可调，温度系数控制在±10ppm/℃内，同时Q×f在65000～85000GHz之间的材料体系非常少，当前迫切需要开发一种工艺简单、原材料成本低同时满足低损耗特征、介电常数系列可调的微波介质陶瓷，以满足微波通信行业的应用需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种介电常数可调、品质因数较高、频率温度系数在零附近连续可调且能够中温烧结的微波陶瓷介质材料及其制备方法。

本发明技术方案如下：