一种微波介质陶瓷材料及其制备方法和应用

本发明属于微波介质陶瓷，具体涉及一种微波介质陶瓷材料及其制备方法，可应用于5g/6g通信。

背景技术：

1、微波介质陶瓷是一种高度技术化的功能材料，专为在微波频段(300mhz～300ghz)中执行传导、谐振、滤波等功能而设计。这类陶瓷被视为5g/6g通信的关键基础材料。随着全球5g网络规模商用的迅速推进，对6g研发的战略性布局已经全面展开，因此，研发出高性能的微波介质陶瓷材料具有重要的价值。5g/6g通信的工作频率高，同时具有信号传输延迟时间短、信号保真度高、衰减小等特点，因此对微波介质陶瓷提出了低介电常数和低介电损耗的要求。

2、硅酸盐类陶瓷作为一类成本低、原料丰富的常见材料，由于其si-o键的基本属性，具备低介电常数和低介电损耗的固有特性，在5g/6g应用场景中展现出巨大潜力。其中，mgsio3表现出优异的微波介电性能，是理想的5g/6g通信领域候选材料。然而，mgsio3陶瓷在制备和使用过程中常出现裂纹和粉化等问题，这是由于陶瓷发生晶体结构相变所致，严重影响其微波介电性能，从而限制了实际应用。mgsio3常见的有三种晶体结构，分别为正交原顽火辉石(proto-enstatite，pbcn，pen)、正交顽火辉石(enstatite，pbca，oen)和低温单斜顽火辉石(low-clino-enstatite，p21/c，cen)。在陶瓷制备过程中，从高温(1000℃以上)降温至室温时，高温存在的pen相变得不稳定，向cen相转变，导致内部产生内应力，可能导致裂纹和粉化。目前的研究除了通过引入足够的玻璃相外，还可以通过引入a位离子取代mg来抑制相变发生。然而，后者仍然存在较大概率同时存在pen和cen两相的问题，限制了对微波介电性能的改善程度。

技术实现思路

1、为解决现有技术中mgsio3微波介质陶瓷制备和使用中容易发生pen→cen相变及两相共存带来的微波介电性能恶化问题，本发明着眼于引入适量的其他离子取代b位的硅离子以形成固溶体的方法，直接得到稳定的oen相，从而带来微波介电性能的优化，最终找到一种可应用于5g/6g通信领域的微波介质陶瓷材料及其制备方法。

2、mgsio3陶瓷在制备过程中，在从高温(1000℃以上)降温至室温时，高温存在的pen相变得不稳定，向cen相转变，导致内部产生内应力，可能导致裂纹和粉化，严重影响微波介电性能以及使用。目前的研究除了通过引入足够的玻璃相外，还可以通过引入a位离子取代mg来抑制相变发生。然而，后者仍然存在较大概率同时存在pen和cen两相的问题，限制了对微波介电性能的改善程度。

3、本发明通过引入适量的b位离子ge取代形成固溶体mgsi1-xgexo3，直接得到稳定的oen相，可以从根源上避免pen→cen相变的发生，优化了mgsio3微波介质陶瓷的微波介电性能。

4、这里掺入(置换)的ge含量是决定获得oen相的关键。同时在制备过程中“以1.5℃/min的降温速率降至600℃”这个慢速降温步骤，可以减少或避免快速降温可能造成内应力的问题，从而保证获得稳定的oen相及优异的微波介电性能。

5、本发明提供一种微波介质陶瓷材料，化学式为mgsi1-xgexo3，其中0.1<x≤0.3。

6、优选的，所述微波介质陶瓷材料的介电常数为5.8～7.2，qf值为40,500～140,000ghz@13ghz，谐振频率温度系数为-52～-31ppm/℃。

7、所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

8、步骤(1)、以mgo、sio2、geo2为原料，按照目标化学式mgsi1-xgexo3中，mg、si、ge三种元素的物质的量比，称取所述原料，其中0.1<x≤0.3，将称取的原料依次进行混合球磨、烘干、过筛和预烧，对预烧后的粉料进行二次球磨、烘干和过筛，得到粉料；

9、步骤(2)、将步骤(1)得到的所述粉料进行造粒、过筛、成型，得到生坯；

10、步骤(3)、将步骤(2)得到的生坯在1300～1390℃烧结，得到陶瓷。

11、优选的，所述步骤(1)中，所述原料在称取前进行预处理操作，所述预处理操作包括：对所述mgo在900℃煅烧3h，所述sio2和geo2在称量前需要在80℃烘干24h。

12、优选的，步骤(1)中，所述球磨的时间为24h，转速为220r/min，每隔30min换向。

13、优选的，所述步骤(1)中，所述预烧工艺包括：升温速率为5℃/min，升温到1250℃预烧3h；以2℃/min的降温速率，降温到800℃；之后随炉降温。

14、优选的，所述步骤(2)中，所述造粒工艺包括：使用浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，所述粘合剂的加入量占步骤(1)得到的粉料质量的10％；所述过筛使用的是40目的标准筛，所述成型采用直径为12mm的钢制模具，在80～100mpa的压力下压制成高度为3～5mm，直径为12mm的圆柱形坯体。

15、优选的，所述步骤(3)中，所述烧结工艺包括：以2℃/min的速率升温至650℃排胶3h，以5℃/min的速率升温至1300～1390℃烧结5h，以1.5℃/min的速率降温至600℃后随炉冷却至室温。

16、本发明还提供一种微波介质陶瓷材料在5g/6g通信领域中的应用，在高频微波频率范围下，所述高频微波频率为13ghz，将所述微波介质陶瓷材料用于器件基板、谐振器、滤波器，所述微波介质陶瓷材料的应用性能参数为：介电常数为5.8～7.2，qf值为40,500～140,000ghz，谐振频率温度系数为-52～-31ppm/℃。

17、本发明的有益效果在于：

18、本发明通过适量b位离子取代形成固溶体的方法，直接得到稳定的oen相，从根源上避免了pen→cen相变的发生，优化了mgsio3微波介质陶瓷的微波介电性能；获得了低介电常数(5.8～7.2)与高qf值,40,500～140,000ghz@13ghz，且谐振频率温度系数为-52～-29ppm/℃，可应用于5g/6g通信领域，以上特点使得本发明具有重要的工业应用价值。

技术特征：

1.一种微波介质陶瓷材料，其特征在于，化学式为mgsi1-xgexo3，其中0.1<x≤0.3。

2.根据权利要求1所述的微波介质陶瓷材料，其特征在于，介电常数为5.8～7.2，qf值为40,500～140,000ghz@13ghz，谐振频率温度系数为-52～-31ppm/℃。

3.根据权利要求1所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述原料在称取前进行预处理操作，所述预处理操作包括：对所述mgo在900℃煅烧3h，所述sio2和geo2在称量前需要在80℃烘干24h。

5.根据权利要求3所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨的时间为24h，转速为220r/min，每隔30min换向。

6.根据权利要求3所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述预烧工艺包括：升温速率为5℃/min，升温到1250℃预烧3h；以2℃/min的降温速率，降温到800℃；之后随炉降温。

7.根据权利要求3所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述造粒工艺包括：使用浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，所述粘合剂的加入量占步骤(1)得到的粉料质量的10％；所述过筛使用的是40目的标准筛，所述成型采用直径为12mm的钢制模具，在80～100mpa的压力下压制成高度为3～5mm，直径为12mm的圆柱形坯体。

8.根据权利要求3所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述烧结工艺包括：以2℃/min的速率升温至650℃排胶3h，以5℃/min的速率升温至1300～1390℃烧结5h，以1.5℃/min的速率降温至600℃后随炉冷却至室温。

9.一种微波介质陶瓷材料在5g/6g通信领域中的应用，其特征在于，在高频微波频率范围下，所述高频微波频率为13ghz，将所述微波介质陶瓷材料用于器件基板、谐振器、滤波器，所述微波介质陶瓷材料的应用性能参数为：介电常数为5.8～7.2，qf值为40,500～140,000ghz@13ghz，谐振频率温度系数为-52～-31ppm/℃。

技术总结本发明属于微波介质陶瓷技术领域，具体涉及一种微波介质陶瓷材料及其制备方法，可应用于5G/6G通信。本发明提供的微波介质陶瓷材料，其化学式为MgSi<subgt;1‑x</subgt;Ge<subgt;x</subgt;O<subgt;3</subgt;，其中0.1<x≤0.3。所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)、以MgO、SiO<subgt;2</subgt;、GeO<subgt;2</subgt;为原料，按照目标化学式MgSi<subgt;1‑x</subgt;Ge<subgt;x</subgt;O<subgt;3</subgt;中，Mg、Si、Ge三种元素的物质的量比，称取所述原料，其中0.1<x≤0.3，将称取的原料依次进行混合球磨、烘干、过筛和预烧，对预烧后的粉料进行二次球磨、烘干和过筛，得到粉料；步骤(2)、将步骤(1)得到的所述粉料进行造粒、过筛、成型，得到生坯；步骤(3)、将步骤(2)得到的生坯在1300～1390℃烧结，得到陶瓷。技术研发人员：毛敏敏,方晋,倪涛,宋开新受保护的技术使用者：杭州电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29