專利名稱：鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈮的化合物技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
微波(300MHz～300GHz)電介陶瓷是當前先進陶瓷材料領(lǐng)域最具活力、最有前途的組成部分，是電子、信息、計算機、通訊、自動化、航空航天等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料之一。微波介質(zhì)陶瓷的性能主要是指它的微波介電性能，常用介電常數(shù)ε、損耗角正切tanδ(或Q·f值，Q為1/tanδ，f為諧振頻率)和諧振頻率溫度系數(shù)τf三個參數(shù)來表示。依據(jù)微波材料的性能，微波介質(zhì)陶瓷可劃分為三類(1)高εr、低Q值微波介質(zhì)陶瓷，主要用于移動通訊，使用頻率1～2GHz；(2)中等εr和Q值，用于衛(wèi)星地面基站，使用頻率4～10GHz；(3)低介電常數(shù)(εr)、高品質(zhì)因數(shù)Q的微波介質(zhì)陶瓷，用于高頻通訊、陶瓷基板等。對于(1)陶瓷，由于微波在介質(zhì)中傳輸?shù)牟ㄩL等于其在空氣中的 倍，所以要求εr大以便使微波器件小型化。隨著社會的發(fā)展，人們對信息的傳輸量和精度的要求越來越高。在高頻微波范圍(1GHz～300GHz)，微波器件應(yīng)具有小的損耗和優(yōu)良的頻率選擇性，即微波材料具有高的品質(zhì)因數(shù)Q值顯得非常重要；在高速的信息傳輸過程中，為了減少線路中的遲豫效應(yīng)，應(yīng)用于信息收發(fā)元器件上的陶瓷基材料具有小的介電常數(shù)ε是很必要的。因此，高Q、低ε材料在陶瓷基板方面具有重要的用途。
隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是移動衛(wèi)星通信和全球定位系統(tǒng)等的快速發(fā)展，小型化和輕量化的微波器件日益受到重視。低溫燒結(jié)多層陶瓷器件(LTCC)可以有效地減小器件尺度，實現(xiàn)集成化，已受到人們的廣泛關(guān)注。然而，目前大多數(shù)商用微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度都在1200～1500℃之間，無法與銅(Cu，熔點為1083℃)或銀(Ag，熔點為961.93℃)等內(nèi)電極共燒，因此，研制開發(fā)具有優(yōu)異性能的低溫燒結(jié)微波介質(zhì)陶瓷已成為微波元器件領(lǐng)域的一個關(guān)鍵技術(shù)。
具有剛玉結(jié)構(gòu)的α-Al2O3陶瓷有非常高的Q值(Q·f＝300000GHz)和相對較低的介電常數(shù)ε(～10)。由于α-Al2O3陶瓷的良好導(dǎo)熱性能和優(yōu)異的微波介電性能，已被工業(yè)界廣泛使用。氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度一般在1600～1800℃之間，這是α-Al2O3用作低溫燒結(jié)陶瓷的最大障礙。為實現(xiàn)低溫燒結(jié)的目的，采用重量比為60％的(CaO-Ai2O3-SiO2-B2O3)玻璃與40％的α-Al2O3混合燒結(jié)，燒結(jié)溫度900℃，可以實現(xiàn)低溫燒結(jié)的目的，但是，由于混合物中的玻璃相含量很大，陶瓷的介電損耗很大(1MHz，tgδ＝3×10-4)。另外，在燒結(jié)過程中大量存在的玻璃相與電極之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這對多層器件的制備也是極其不利的。因此，研究開發(fā)無玻璃摻雜或者輕量摻雜，在900℃附近可燒結(jié)的新型微波介質(zhì)陶瓷，是多層微波元器件領(lǐng)域的一個研究熱點。
Mg4Nb2O9(鈮酸鎂)自60年代被發(fā)現(xiàn)以來，室溫熒光材料已得到了許多研究，Mg4Nb2O9化合物具有與α-Al2O3相似的剛玉型晶體結(jié)構(gòu)，空間群為P3c1(第165號)，晶格參數(shù)a為5.1612(7)和c為14.028(1)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)Mg4Nb2O9陶瓷具有非常優(yōu)異的微波介電性能，介電常數(shù)ε為12.6，Qf為210000GHz，諧振中心頻率的溫度系數(shù)τf為-71ppm/℃，鈮酸鎂陶瓷的燒結(jié)溫度在1400℃左右。雖然鈮酸鎂陶瓷具有與α-Al2O3陶瓷可比擬的微波介電性能，而且燒結(jié)溫度比氧化鋁陶瓷低了近200℃，但是此類陶瓷仍不能和金、銀、銅、鎳等廉價金屬內(nèi)電極共燒，使得所制備的微波陶瓷器件的成本仍然很高，更不可能用于制備多層器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的一個技術(shù)問題在于克服上述微波介質(zhì)陶瓷的缺點，提供一種微波介電性能優(yōu)異、產(chǎn)品成本低、用途廣的鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷。
本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題在于提供一種工藝簡單、燒結(jié)溫度低、工藝穩(wěn)定、易于工業(yè)化推廣、所用原料來源豐富的鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷的制備方法。
解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案它是由下述重量百分比的原料制成鈮酸鎂 3.6～99.57％五氧化二釩或二氧化釩 0.43～6.4％碳酸鋰或氟化鋰或氧化鋰 0～3％制備本發(fā)明的優(yōu)選重量百分比是鈮酸鎂 94～98％五氧化二釩或二氧化釩 2～6％
碳酸鋰或氟化鋰或氧化鋰0～3％制備本發(fā)明的最佳重量百分比是鈮酸鎂95％五氧化二釩或二氧化釩 2％碳酸鋰或氟化鋰或氧化鋰3％鈮酸鎂的制備方法為將顆粒狀Nb2O5、氧化鎂原料按摩爾配比為1∶4稱量裝入尼龍罐中，放在行星球磨機上進行混磨，將研磨后的混合料置于氧化鋁坩堝內(nèi)壓實，加蓋，在900～1100℃保溫5～10小時，合成剛玉型結(jié)構(gòu)的鈮酸鎂，自然冷卻。
本發(fā)明的制備方法如下1、研磨將鈮酸鎂料粉末與釩的氧化物、碳酸鋰或氟化鋰或氧化鋰混合均勻，研磨成細粉，過150目篩，制成混合料。
2、造粒在混合料中加入濃度為5％的聚乙烯醇，加入量為混合料重量的2％，充分攪拌，自然干燥，造粒，過60目篩，制成球狀粉粒。
3、制作坯件將經(jīng)過造粒后的粉粒料放入φ15mm的不銹鋼模具內(nèi)，在5千壓力下壓制成高7.5mm的圓柱形坯件。
4、燒結(jié)已制作的坯件放入氧化鋁坩堝內(nèi)加蓋，將氧化鋁坩堝放入馬氟爐內(nèi)，連續(xù)升溫，在500℃下保溫1小時進行排塑，繼續(xù)升溫，在900～1050℃燒結(jié)2～5小時，降溫至900℃后關(guān)閉電源，自然冷卻，出爐。
5、制作成品按本發(fā)明的質(zhì)量檢驗標準進行檢驗，檢驗合格后包裝，制成本發(fā)明產(chǎn)品。
本發(fā)明鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷經(jīng)測試，其Qf值比摩托羅拉公司的T2000產(chǎn)品高兩個數(shù)量級，比Heraeus公司的CT2000產(chǎn)品高30多倍。鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷具有優(yōu)異的燒結(jié)特性和微波介電性能，在多層陶瓷濾波器、陶瓷天線、陶瓷基板等微波器件方面有廣闊的應(yīng)用前景。采用本發(fā)明制備方法，鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷在900～1050℃的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)制備，可用Cu、Ni，Ag等金屬作為內(nèi)電極材料，降低了器件的成本。本發(fā)明制備方法具有工藝簡單、燒結(jié)溫度低、工藝穩(wěn)定、易于工業(yè)化推廣、所用原料來源豐富等優(yōu)點。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。
實施例1以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂95kg五氧化二釩2kg碳酸鋰3kg其制備方法如下1、研磨將鈮酸鎂料粉末與五氧化二釩、碳酸鋰混合均勻，研磨成細粉，過150目篩，制成混合料。
2、造粒在混合料中加入濃度為5％的聚乙烯醇，加入量為混合料重量的2％，充分攪拌，自然干燥，造粒，過60目篩，制成球狀粉粒。
3、制作坯件將經(jīng)過造粒后的粉粒料放入φ15mm的不銹鋼模具內(nèi)，在5千壓力下壓制成高為7.5mm的圓柱形坯件。
4、燒結(jié)已制作的坯件放入氧化鋁坩堝內(nèi)加蓋，將氧化鋁坩堝放入馬氟爐內(nèi)，連續(xù)升溫，在500℃保溫1小時進行排塑，繼續(xù)升溫，在900℃燒結(jié)5小時，關(guān)閉電源，自然冷卻，出爐。
5、制作成品按本發(fā)明的質(zhì)量檢驗標準進行檢驗，檢驗合格后包裝，制成本發(fā)明產(chǎn)品。
實施例2以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂93.6kg五氧化二釩6.4kg
其制備方法為將鈮酸鎂料粉末與五氧化二釩混合，研磨成細粉，過150目篩，在燒結(jié)工藝步驟中，已制作的坯件放入氧化鋁坩堝內(nèi)加蓋，將氧化鋁坩堝放入馬氟爐內(nèi)，連續(xù)升溫，在500℃下保溫1小時進行排塑，繼續(xù)升溫，在1000℃燒結(jié)3小時，降溫至900℃關(guān)閉電源，自然冷卻，出爐。其它工藝步驟與實施例1相同。
實施例3以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂99.57kg五氧化二釩0.43kg其制備方法為將鈮酸鎂料粉末與五氧化二釩混合，研磨成細粉，過150目篩，在燒結(jié)工藝步驟中，已制作的坯件放入氧化鋁坩堝內(nèi)加蓋，將氧化鋁坩堝放入馬氟爐內(nèi)，連續(xù)升溫，在500℃下保溫1小時進行排塑，繼續(xù)升溫，在1050℃燒結(jié)2小時，降溫至900℃關(guān)閉電源，自然冷卻，出爐。其它工藝步驟與實施例1相同。
實施例4以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂93.6kg五氧化二釩3.4kg碳酸鋰3kg其制備方法與相實施例1相同。
實施例5以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂95kg二氧化釩 2kg碳酸鋰3kg其制備方法與相實施例1相同。
實施例6以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂93.6kg二氧化釩 6.4kg其制備方法與相實施例2相同。
實施例7以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂99.57kg二氧化釩 0.43kg其制備方法與相實施例3相同。
實施例8以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂93.6kg二氧化釩 3.4kg碳酸鋰3kg其制備方法與相實施例1相同。
實施例9以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂95kg五氧化二釩2kg氟化鋰3kg其制備方法與相實施例1相同。
實施例10以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂95kg二氧化釩 2kg氟化鋰3kg其制備方法與相實施例1相同。
實施例11以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂93.6kg二氧化釩 3.4kg。
氟化鋰3kg。
其制備方法與相實施例1相同。
實施例12以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂93.6kg五氧化二釩3.4kg氟化鋰3kg。
其制備方法與相實施例1相同。
實施例13以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂95kg五氧化二釩2kg氧化鋰3kg。
其制備方法與相實施例1相同。
實施例14以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂95kg二氧化釩 2kg氧化鋰3kg。
其制備方法與相實施例1相同。
實施例15以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂93.6kg二氧化釩 3.4kg。
氧化鋰3kg。
其制備方法與相實施例1相同。
實施例16以制備本發(fā)明產(chǎn)品100kg為例所用的原料及其重量配比為鈮酸鎂93.6kg五氧化二釩3.4kg氧化鋰3kg。
其制備方法與相實施例1相同。
為了確定本發(fā)明的最佳重量配比以及最佳的制備方法，發(fā)明人進行了900～1050℃低溫燒結(jié)的鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷的介電性能和其它物理性能實驗，各種實驗情況如下測試設(shè)備微波網(wǎng)絡(luò)分析儀，型號為HP8720ES，由美國惠普公司生產(chǎn)。
測試材料不同材料配比制備的鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷。
測試方法平行板開腔諧振法。TE011諧振模的頻率在7.5～10.1GHz范圍內(nèi)。
1、五氧化二釩對鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)和微波介電性能的影響實驗實驗結(jié)果見表1。
表1 添加V2O5的鈮酸鎂陶瓷的燒結(jié)性能和微波介電性能參數(shù)

在不添加五氧化二釩時，鈮酸鎂在1350℃、燒結(jié)5小時后可實現(xiàn)致密化燒結(jié)，體密度ρ為4.169g/cm3，達到理論密度(4.3838g/cm3)的95％以上，其微波介電性能為介電常數(shù)ε為12.67，Qf為173070GHz，諧振中心頻率的溫度系數(shù)τf為-65ppm/℃。
添加重量比為2％的五氧化二釩時，Mg4Nb2O9在1000℃即可實現(xiàn)致密化燒結(jié)，ρ為4.137g/cm3，達到理論密度的94.4％，徑向收縮率為10.73％。
V2O5的添加重量在0.43％與6.4％范圍之內(nèi)，1000℃燒結(jié)均可以獲得致密陶瓷，而且陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)良的微波介電性能。
在最佳添加量(2％V2O5)和1000℃燒結(jié)工藝下，Mg4Nb2O9陶瓷的微波介電性能為介電常數(shù)ε為12.89，Qf為137780GHz，諧振中心頻率的溫度系數(shù)τf為-44ppm/℃。該陶瓷介質(zhì)可用銅或鎳作為內(nèi)電極，大幅度降低器件成本。
2、碳酸鋰對鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)和微波介電性能的影響實驗實驗結(jié)果見表2。
表2添加2wt.％V2O5和不同Li2CO3(wt％)的Mg4Nb2O9陶瓷的性能參數(shù)

由實驗結(jié)果可知添加重量比為2wt.％V2O5和3.0％的LiCO3，在900℃燒結(jié)，介電常數(shù)為13.28，Qf值為52000GHz，諧振中心頻率的溫度系數(shù)τf為-41ppm/℃。
為了驗證本發(fā)明的有益效果，發(fā)明人采用本發(fā)明實施例1重量配比及其制備方法制備的鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷進行料測試，各種測試情況如下測試設(shè)備微波網(wǎng)絡(luò)分析儀，型號為HP8720ES，由美國惠普公司生產(chǎn)。
測試材料鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷。
測試方法平行板開腔諧振法。樣品的諧振頻率溫度系數(shù)τf在20℃到100℃的溫度范圍內(nèi)測試，用下列方程式計算

式中f20和f100是TE011諧振模式在20℃和100℃時的值。TE011諧振模的頻率在7.5～10.1GHz范圍內(nèi)。
本發(fā)明鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度、Qf值、介電常數(shù)、諧振頻率溫度系數(shù)τf值與摩托羅拉公司型號為T2000產(chǎn)品、Heraeus公司型號為CT2000、以及NEC公司的LTCC的產(chǎn)品進行比較，結(jié)果見表3。
表3 本發(fā)明鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷與已有商用產(chǎn)品的電介性能表(燒結(jié)溫度≤900℃)

結(jié)論本發(fā)明鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷的Qf(諧振頻率f為8.23GHz)值比摩托羅拉公司的T2000產(chǎn)品高兩個數(shù)量級，比Heraeus公司的CT2000產(chǎn)品的Qf值高30多倍，在高頻多層微波器件和陶瓷基板應(yīng)用方面有著廣闊的市場。
權(quán)利要求
1.一種鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于它是由下述重量百分比的原料制成鈮酸鎂 93.6～99.57％五氧化二釩或二氧化釩0.43～6.4％碳酸鋰或氟化鋰或氧化鋰 0～3％。
2.按照權(quán)利要求1所述的鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于其中由下述重量百分比的原料制成鈮酸鎂 94～98％五氧化二釩或二氧化釩2～6％碳酸鋰或氟化鋰或氧化鋰 0～3％。
3.按照權(quán)利要求1所述的鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于其中由下述重量百分比的原料制成鈮酸鎂 95％五氧化二釩或二氧化釩2％碳酸鋰或氟化鋰或氧化鋰 3％。
4.一種鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于它包括下述步驟(1)研磨將鈮酸鎂料粉末與釩的氧化物、碳酸鋰或氟化鋰或氧化鋰混合均勻，研磨成細粉，過150目篩，制成混合料；(2)造粒在混合料中加入濃度為5％的聚乙烯醇，加入量為混合料重量的2％，充分攪拌，自然干燥，造粒，過60目篩，制成球狀粉粒；(3)制作坯件將經(jīng)過造粒后的粉粒料放入φ15mm的不銹鋼模具內(nèi)，在5千壓力下壓制成高7.5mm的圓柱形坯件；(4)燒結(jié)已制作的坯件放入氧化鋁坩堝內(nèi)加蓋，將氧化鋁坩堝放入馬氟爐內(nèi)，連續(xù)升溫，在500℃下保溫1小時進行排塑，繼續(xù)升溫，在900～1050℃燒結(jié)2～5小時，降溫至900℃后關(guān)閉電源，自然冷卻，出爐；(5)制作成品按本發(fā)明的質(zhì)量檢驗標準進行檢驗，檢驗合格后包裝，制成本發(fā)明產(chǎn)品。
全文摘要
一種鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷，它是由鈮酸鎂93.6～99.57％、五氧化二釩或二氧化釩0.43～6.4％、碳酸鋰或氟化鋰或氧化鋰0～3％重量百分比的原料制成。制備方法包括研磨、造粒、坯件制作、燒結(jié)、制作成品工藝步驟。本發(fā)明鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷經(jīng)測試，Qf值比摩托羅拉公司的T2000產(chǎn)品高兩個數(shù)量級，比Heraeus公司的CT2000產(chǎn)品高30多倍。具有優(yōu)異的燒結(jié)特性和微波介電性能，在多層陶瓷濾波器、陶瓷天線、陶瓷基板等微波器件方面有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明制備方法，鈮酸鎂微波介質(zhì)陶瓷在900～1050℃的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)制備，可用Cu、Ni，Ag等金屬作為內(nèi)電極材料，降低了器件的成本。該方法具有工藝簡單、燒結(jié)溫度低、工藝穩(wěn)定、所用原料來源豐富等優(yōu)點。
文檔編號C04B35/622GK1724464SQ20051004285
公開日2006年1月25日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者劉鵬, 張懷武, 邊小兵, 楊萬民, 姚國光, 蘇未安 申請人:陜西師范大學(xué)