[发明专利]一种微波介电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种微波介电陶瓷材料，由复合氧化物和添加剂制备而成；所述复合氧化物的通式为xMg_1.2Zn_0.8SiO₄‑yMg_0.65Zn_0.35Al₂O₄；其中，x+y＝1，0.4≤x≤0.9，0.1≤y≤0.6。与现有技术相比，本发明提供的微波介电陶瓷材料由特定通式的复合氧化物和添加剂制备而成，实现了对微波介质陶瓷材料Mg₂SiO₄的有效改进；该微波介电陶瓷材料同时具有低介电常数、极高的Q*f值及较好的烧结稳定性，同时能够实现温漂连续可调以满足各种需求。实验结果表明，本发明提供的微波介电陶瓷材料的相对介电常数ε_r为7～8，品质因数Q*f值≥180000GHz，温漂调节范围为‑10～+6ppm/℃，且烧结稳定，具有非常优秀的应用价值和市场潜力。

技术领域

本发明涉及功能陶瓷材料技术领域，更具体地说，是涉及一种微波介电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一项或多项功能的陶瓷材料。随着通信设备的工作频率进一步向高频范围拓展，特别是进入毫米波段后，通讯器件尺寸越来越小，达到毫米级，因而，电子元器件的关键问题已不再是小型化问题。但是，随着频率的升高，材料介电损耗明显增大，信号传输延迟时间较长，信号衰减问题突出。这两个问题分别与介电常数和介电损耗有关。一般认为，信号延迟时间与介电常数的成正比，而信号传输的质量则需要材料的高品质因数来保证。研究发现，介电常数ε_r≤10的材料其品质因数也较高时，信号传输速率和接收到的信号质量均得到显著提高。而信号衰减与材料的介电损耗直接相关，介电损耗越大，信号衰减越厉害。因此为了保证高端微波元器件在高频使用频率下获得高速和高质量的传输信号，需要使用低介电常数、低介电损耗的微波介电陶瓷材料。

为实现低介电常数、低介电损耗陶瓷材料的开发应用，目前国内外研究较多的是硅酸镁陶瓷，硅酸镁(Mg₂SiO₄)作为一种低介电微波陶瓷材料，近年来备受关注。硅酸镁又被称为镁橄榄石，是一种由Si-O四面体和Mg-O四面体共同构成的岛状硅酸盐化合物，属于正交晶系，具有Pmnb空间点群，晶格参数为：a＝0.598nm，b＝1.020nm，c＝0.475nm。

最早是Ohsato等人研究并发现了Mg₂SiO₄陶瓷具备较好的介电性能，随后，Sugiyama也在研究中证实了该陶瓷优异的微波介电性能：ε_r＝6.8，Q*f＝270000GHz，τ_f＝-70ppm/℃，同时也指出了其温度稳定性较差。为了调节硅酸镁陶瓷的谐振频率温度系数，Ohsato等人详细研究了TiO₂添加量对该陶瓷τ_f值的影响，结果发现，当添加量为24wt％时，所得陶瓷的τ_f值接近于零，但是在烧结过程，MgO-TiO₂之间的反应生成物MgTi₂O₅在对Mg₂SiO₄陶瓷的介电性能造成了损耗。随后，S.Q.Meng等人通过在Mg₂SiO₄陶瓷中添加钒酸钡(Ba₃(VO₄)₂)的方法来调节τ_f值，结果发现当Mg₂SiO₄为55wt％时，在1175℃烧结后复合陶瓷表现出较好的微波介电性能：ε_r＝9.03，Q*f＝52500GHz，τ_f＝0.6ppm/℃。

由此可知，以上体系中虽然τ_f值可以调节近于零，但均存在Q*f值明显降低或ε_r值明显上升的问题，同时，Mg₂SiO₄陶瓷烧结稳定性差。