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一种具有超低烧结温度的微波介电陶瓷及其制备方法   0    0

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专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2021-09-27
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2021-12-07
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2022-10-14
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2041-09-27
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN202111132856.0 申请日 2021-09-27
公开/公告号 CN113666745B 公开/公告日 2022-10-14
授权日 2022-10-14 预估到期日 2041-09-27
申请年 2021年 公开/公告年 2022年
缴费截止日
分类号 C04B35/495C04B35/622 主分类号 C04B35/495
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 3
权利要求数量 4 非专利引证数量 0
引用专利数量 0 被引证专利数量 0
非专利引证
引用专利 被引证专利
专利权维持 1 专利申请国编码 CN
专利事件 事务标签 公开、实质审查、授权
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 桂林理工大学 当前专利权人 桂林理工大学
发明人 李纯纯、曹雪凤、尹长志、李云翠 第一发明人 李纯纯
地址 广西壮族自治区桂林市七星区建干路桂林理工大学 邮编 541004
申请人数量 1 发明人数量 4
申请人所在省 广西壮族自治区 申请人所在市 广西壮族自治区桂林市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
北京东方盛凡知识产权代理事务所 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
程小芳
摘要
本发明公开了一种具有超低烧结温度的微波介电陶瓷及其制备方法,属于介电陶瓷技术领域,微波介电陶瓷化学组成为(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2,x=0.1~0.6,介电常数εr为7.76~10.96,品质因数Q×f值为48,915~49,081GHz,谐振频率温度系数τf为‑70.9~3.21ppm/℃,可广泛用于无线通信和低温共烧陶瓷衬底中作为介质谐振等微波介质材料的制造,在工业上有着极大的应用价值。
  • 摘要附图
    一种具有超低烧结温度的微波介电陶瓷及其制备方法
  • 说明书附图:
    一种具有超低烧结温度的微波介电陶瓷及其制备方法
  • 说明书附图:图1
    一种具有超低烧结温度的微波介电陶瓷及其制备方法
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2022-10-14 授权
2 2021-12-07 实质审查的生效 IPC(主分类): C04B 35/495 专利申请号: 202111132856.0 申请日: 2021.09.27
3 2021-11-19 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.一种具有超低烧结温度的微波介电陶瓷,其特征在于,化学组成为(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2,x=0.6,介电常数εr为10.96,品质因数Q×f值为49,081GHz,谐振频率温度系数τf为
3.21ppm/℃,Ag2CaV4O12和TiO2的比例为摩尔比;
所述具有超低烧结温度的微波介电陶瓷的制备方法,采用两步烧结法制备,包括以下步骤:
(1)按Ag2CaV4O12的组成称量Ag2O、CaCO3和V2O5粉末,所述Ag2O、CaCO3和V2O5粉末的纯度均为99.9%以上,其中百分比为重量百分比;
(2)将步骤(1)粉末湿式球磨混合,烘干后在350℃大气气氛中预烧4小时,获得Ag2CaV4O12粉末;
(3)按照(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2,x=0.6的摩尔组成称量TiO2粉末和所述Ag2CaV4O12粉末,混合得混合粉末;
(4)将步骤(3)混合粉末湿式球磨混合,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,最后在520℃大气气氛中烧结6小时后得到具有超低烧结温度的微波介电陶瓷。

2.根据权利要求1所述具有超低烧结温度的微波介电陶瓷,其特征在于,所述步骤(2)中球磨时间为8小时,球磨介质为无水乙醇。

3.根据权利要求1所述具有超低烧结温度的微波介电陶瓷,其特征在于,所述步骤(4)中粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液。

4.根据权利要求1所述具有超低烧结温度的微波介电陶瓷,其特征在于,所述聚乙烯醇溶液的添加量占粉末总质量的3%。
说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及介电陶瓷技术领域,特别是涉及一种具有超低烧结温度的微波介电陶瓷及其制备方法。

背景技术

[0002] 微波介电陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷,在谐振器、滤波器、介质基片和介质导波回路等元器件中有着广泛的应用,微波介电陶瓷材料被认为是无线通信的重要组成部分。
[0003] 近年来,随着信息技术的高速发展,物联网和第五代移动通信技术增大了对微波介质材料的需求。其中,小型化仍然是驱动微波介质材料制造不可或缺的因素。由于器件尺‑1/2寸与εr 成正比关系,高介电常数(εr)被广泛认为有利于实现小型化。此外,多层共烧陶瓷技术通过一层一层的平行电介质来获得等效的高介电常数,从而提供了可行的小型化解决方案。目前,微波器件的制造严重依赖于低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Co‑fired Ceramics,LTCC),使用此项技术制造的介电材料具有合适的介电常数(5≤εr≤20),低介电损耗(或高品质因数,Q×f>10,000GHz),谐振频率的温度稳定性(|τf|≤10ppm/℃)以及与高电导率金属电极(Ag,Cu等)的共烧性能。为了实现这些性能指标,应使烧结温度低于电极的熔点(如Ag的熔点为961℃,Cu的熔点为1084℃)。
[0004] 根据相对介电常数εr的大小与使用频段的不同,通常可将已被开发和正在开发的微波介质陶瓷分为4类:
[0005] (1)超低介电常数微波介电陶瓷,主要代表是Al2O3‑TiO2、Y2BaCuO5、MgAl2O4和Mg2SiO4等,其εr≤20,品质因数Q×f≥50000GHz,τf≤10ppm/℃。主要用于微波基板以及高端微波元器件。
[0006] (2)低εr和高Q值的微波介电陶瓷,主要是BaO‑MgO‑Ta2O5,BaO‑ZnO‑Ta2O5或BaO‑MgO‑Nb2O5,BaO‑ZnO‑Nb2O5系统或它们之间的复合系统MWDC材料。其εr=20~35,Q=(1~2)4
×10 (在f≥10GHz下),τf≈0。主要应用于f≥8GHz的卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件。
[0007] (3)中等εr和Q值的微波介电陶瓷,主要是以BaTi4O9、Ba2Ti9O20和(Zr、Sn)TiO4等3
为基的MWDC材料,其εr=35~45,Q=(6~9)×10 (在f=3~-4GHz下),τf≤5ppm/℃。主要用于4~8GHz频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件。
[0008] (4)高εr而Q值较低的微波介电陶瓷,主要用于0.8~4GHz频率范围内民用移动通讯系统,这也是微波介电陶瓷研究的重点。80年代以来,Kolar、Kato等人相继发现并研究了类钙钛矿钨青铜型BaO—Ln2O3—TiO2系列(Ln=La、Sm、Nd或Pr等,简称BLT系)、复合钙钛矿结构CaO—Li2O—Ln2O3—TiO2系列、铅基系列材料、Ca1‑xLn2x/3TiO3系等高εr微波介电陶瓷,其中BLT体系的BaO—Nd2O3—TiO2材料介电常数达到90,铅基系列(Pb,Ca)ZrO3介电常数达5
到10。
[0009] 以上这些材料体系的烧结温度一般高于1300℃,不能直接与价格便宜的Ag和Cu等低熔点金属电极共烧形成多层陶瓷电容器。近年来,随着低温共烧陶瓷技术(LowTemperature Co‑fired Ceramics,LTCC)的发展和微波多层器件发展的要求,国内外的研究人员对一些低烧体系材料进行了广泛的探索和研究,主要是采用微晶玻璃或玻璃‑陶瓷复合材料体系,因低熔点玻璃相具有相对较高的介质损耗,玻璃相的存在大大提高了材料的介质损耗。因此研制无玻璃相的低烧微波介质陶瓷材料是当前研究的重点。

发明内容

[0010] 本发明的目的是提供一种具有超低烧结温度且微波介电性能优异的微波介电陶瓷材料及其制备方法。
[0011] 为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
[0012] 本发明提供一种具有超低烧结温度的微波介电陶瓷,化学组成为(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2,x=0.1~0.6,介电常数εr为7.76~10.96,品质因数Q×f值为48,915~
49,081GHz,谐振频率温度系数τf为‑70.9~3.21ppm/℃。
[0013] 本发明还提供一种所述具有超低烧结温度的微波介电陶瓷的制备方法,采用两步烧结法制备,包括以下步骤:
[0014] (1)按Ag2CaV4O12的组成称量纯度为99.9%(重量百分比)以上的Ag2O、CaCO3和V2O5粉末(Ag2O、CaCO3和V2O5粉末的纯度均为99.9%以上);
[0015] (2)将步骤(1)粉末湿式球磨混合,烘干后在350℃大气气氛中预烧4小时,获得Ag2CaV4O12粉末;
[0016] (3)按照(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2,x=0.1~0.6(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6)的摩尔组成称量TiO2粉末和所述Ag2CaV4O12粉末,混合得混合粉末;
[0017] (4)将步骤(3)混合粉末湿式球磨混合,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,最后在480~520℃大气气氛中烧结6小时后得到具有超低烧结温度的微波介电陶瓷。
[0018] 进一步地,所述步骤(2)中球磨时间为8小时,球磨介质为无水乙醇。
[0019] 进一步地,所述步骤(4)中粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液。
[0020] 进一步地,所述聚乙烯醇溶液的添加量占粉末总质量的3%。
[0021] 对于微波介电陶瓷的实际应用,必须遵循某些特性,其中一项要求是具有低于10ppm/℃的|τf|,以保证谐振频率的热稳定性。本发明添加TiO2与Ag2CaV4O12形成复合陶瓷材料将τf值调整到接近于零,其化学组成为(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2,x=0.1,0.2,0.3,0.4,
0.5,0.6。本发明Ag2O‑CaO‑V2O5体系具有两种低熔点成分,在Ag2CaV4O12中添加TiO2形成的(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2陶瓷材料形成固溶体,τf值接近于零。本发明(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2的合成容易,最佳合成温度远远低于700℃,而且具有好的综合微波介电性能,可作为超低温合成的微波介电陶瓷。
[0022] 本发明公开了以下技术效果:
[0023] 本发明(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2陶瓷材料的介电常数达到10.96,品质因数Q×f值高达49,081GHz,谐振频率的温度系数τf较小,接近于零,为3.21ppm/℃。可广泛用于无线通信和低温共烧陶瓷衬底中作为介质谐振等微波介质材料的制造,在工业上有着极大的应用价值。

实施方案

[0026] 现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
[0027] 应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
[0028] 除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
[0029] 在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
[0030] 关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
[0031] 本发明Ag2O、CaCO3和V2O5粉末的纯度均为99.9%(重量百分比)以上。
[0032] 实施例1
[0033] 制备微波介电陶瓷材料0.9Ag2CaV4O12‑0.1TiO2:
[0034] (1)按Ag2CaV4O12的摩尔组成称量纯度为99.9%以上的Ag2O、CaCO3和V2O5粉末;
[0035] (2)将步骤(1)粉末湿式球磨混合,混合8小时,球磨介质为无水乙醇,烘干后在350℃大气气氛中预烧4小时,获得Ag2CaV4O12粉末;
[0036] (3)按照0.9Ag2CaV4O12‑0.1TiO2的摩尔组成称量TiO2粉末和步骤(2)获得的Ag2CaV4O12粉末,混合得混合粉末;
[0037] (4)在步骤(3)制得的混合粉末湿式球磨混合,烘干后添加质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液并造粒后,聚乙烯醇溶液的添加量占粉末总质量的3%,再压制成型,最后在480℃大气气氛中烧结6小时,得到具有超低烧结温度且微波介电性能优异的微波介电陶瓷材料0.9Ag2CaV4O12‑0.1TiO2。
[0038] 实施例2
[0039] 制备微波介电陶瓷材料0.8Ag2CaV4O12‑0.2TiO2:
[0040] 同实施例1,不同之处仅在于步骤(3)按照0.8Ag2CaV4O12‑0.2TiO2的摩尔组成称量TiO2粉末和步骤(2)获得的Ag2CaV4O12粉末,得到具有超低烧结温度且微波介电性能优异的微波介电陶瓷材料0.8Ag2CaV4O12‑0.2TiO2。
[0041] 实施例3
[0042] 制备微波介电陶瓷材料0.7Ag2CaV4O12‑0.3TiO2:
[0043] 同实施例1,不同之处仅在于步骤(3)按照0.7Ag2CaV4O12‑0.3TiO2的摩尔组成称量TiO2粉末和步骤(2)获得的Ag2CaV4O12粉末,得到具有超低烧结温度且微波介电性能优异的微波介电陶瓷材料0.7Ag2CaV4O12‑0.3TiO2。
[0044] 实施例4
[0045] 制备微波介电陶瓷材料0.6Ag2CaV4O12‑0.4TiO2:
[0046] 同实施例1,不同之处仅在于步骤(3)按照0.6Ag2CaV4O12‑0.4TiO2的摩尔组成称量TiO2粉末和步骤(2)获得的Ag2CaV4O12粉末,步骤(4)在500℃大气气氛中烧结6小时,得到具有超低烧结温度且微波介电性能优异的微波介电陶瓷材料0.6Ag2CaV4O12‑0.4TiO2。
[0047] 实施例5
[0048] 制备微波介电陶瓷材料0.5Ag2CaV4O12‑0.5TiO2:
[0049] 同实施例1,不同之处仅在于步骤(3)按照0.5Ag2CaV4O12‑0.5TiO2的摩尔组成称量TiO2粉末和步骤(2)获得的Ag2CaV4O12粉末,步骤(4)在500℃大气气氛中烧结6小时,得到具有超低烧结温度且微波介电性能优异的微波介电陶瓷材料0.5Ag2CaV4O12‑0.5TiO2。
[0050] 本实施例制备得到的0.5Ag2CaV4O12‑0.5TiO2陶瓷材料的XRD粉末衍射谱图见图1a,扫描电子显微镜SEM照片见图1b,EDS能谱图见图1c,b图中“#”部分为测试EDS的点。从图1a可以看出化合物中的所有衍射峰均与Ag2CaV4O12、TiO2两相所匹配,没有发现其他相,表明Ag2CaV4O12和TiO2之间没有发生化学反应。从图1c可以看出,EDS分析表明小晶粒属于TiO2相,而较大的晶粒被表征为基质Ag2CaV4O12。
[0051] 实施例6
[0052] 制备微波介电陶瓷材料0.4Ag2CaV4O12‑0.6TiO2:
[0053] 同实施例1,不同之处仅在于步骤(1)按照0.4Ag2CaV4O12‑0.6TiO2的摩尔组成称量纯度为99.9%以上的Ag2O、CaCO3和V2O5粉末,步骤(4)在520℃大气气氛中烧结6小时,得到具有超低烧结温度且微波介电性能优异的微波介电陶瓷材料0.4Ag2CaV4O12‑0.6TiO2。
[0054] 用圆柱介质谐振器法对实施例1~6制备的具有超低烧结温度且微波介电性能优异的微波介电陶瓷材料的微波介电性能进行评价,实施例1~6制备的(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6)陶瓷材料的微波介电性能如表1所示。可以看出,由于TiO2介电常数较高(εr~105),其介电常数随着x的增加而逐渐增加。当x=0.5并在500℃下烧结时获得最佳微波介电特性,此时具有εr~10.96,Q×f~49,081GHz和接近零的τf~3.21ppm/℃。
[0055] 表1(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2的烧结温度(S.T.)和微波介电性能
[0056]实施例 x S.T.(℃) εr Q×f(GHz) τf(ppm/℃)
实施例1 0.1 480 7.76 48,915 ‑70.9
实施例2 0.2 480 7.94 48,926 ‑62.8
实施例3 0.3 490 8.32 48,954 ‑52.6
实施例4 0.4 500 8.91 48,972 ‑40.3
实施例5 0.5 500 9.55 49,021 ‑23.7
实施例6 0.6 520 10.96 49,081 3.2
[0057] 一些低烧陶瓷的微波介电性能见表2。从表2可知它们中的大多数都表现出良好的微波介电特性和低致密化温度(<1000℃)。通常,硼酸盐、硅酸盐和磷酸盐的相对介电常数较低,而含有钛和碲的化合物则显示出较高的相对介电常数。相比之下,本发明制备的(1‑x)Ag2CaV4O12‑xTiO2(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6)具有更低的烧结温度(480~520℃)和优异的微波介电性能。从表2可以看出,当烧结温度较低时,陶瓷材料的温度系数|τf|增大(Li3AlB2O6和TiTe3O8);陶瓷材料的温度系数|τf|接近于零时,烧结温度较高(NaAlSi3O8、BaTi4O9+B2O3‑ZnO‑La2O3 glass)。本发明在很低的烧结温度下可以得到谐振频率的温度系数τf接近于零的陶瓷材料,在超低温共烧陶瓷领域中具有巨大潜力。
[0058] 表2具有低烧结温度和具有竞争力的微波介电性能的陶瓷
[0059]
[0060] 综上,本发明制备的具有超低烧结温度且微波介电性能优异的微波介电陶瓷材料可广泛用于无线通信和低温共烧陶瓷衬底中作为介质谐振等微波介质材料的制造,可满足移动通信和卫星通信等系统的技术需要。
[0061] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025] 图1为实施例5制备得到的0.5Ag2CaV4O12‑0.5TiO2陶瓷材料的XRD粉末衍射谱图及扫面电子显微镜SEM照片和EDS能谱图,其中a为X射线粉末衍射谱图,b为扫面电子显微镜SEM照片,c为EDS能谱图,b图中“#”部分为测试EDS的点。
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