一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法

本发明属于无线通讯与电子陶瓷材料，具体涉及一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、电磁波的发现及发展极大的推动了人类社会的进步，微波频段的电磁波更是将人与人，人与物之间的联系变得更为密切。移动通讯技术发展迅速，每十年便会产生新一代的移动通讯技术，每一代的移动通讯技术的变革都将使用电磁波的频率达到一个新的高度，频率高的电磁波虽然能携带大量的信息，但也存在着绕过障碍能力差，易衰减等缺点，在传输的过程中容易造成信号的失帧。为满足5g/6g通讯技术的发展要求，低介电常数，高品质因数与近零谐振频率温度的介质陶瓷作为介质谐振器、介质滤波器、天线、基板等元器件的关键材料近几年来受到了广泛的关注。低介电常数提高了电信号的传输效率，高品质因数则保证了信号传输过程中的频率选择性。

2、zn2-xsio4-x介质材料具备优异的介电性能，具有低介电常数εr(6 .5)，高的品质因数q×f (198400ghz)和较为负的谐振频率温度系数τf(-41.6ppm/℃)。尽管它的介电常数和品质因数都较为优异，但采用的制备方法较为复杂，采用常规的固相反应法制备时，高温存在zno的挥发以及烧结区间窄会产生zno的第二相，烧结样品气孔多等问题使得介电损耗增加，从而使得品质因数存在严重的下降。

3、为了解决上述技术问题，提出了本发明的微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法。

技术实现思路

1、现在将更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。除非另有说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购 买得到或者可通过现有方法制备得到。

2、鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，以解决zn2-xsio4-x陶瓷烧结温度高，烧结区间窄恶化介电性能的问题。

3、本发明的上述目的通过以下技术方案来实现。

4、一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，其特征在于包括以下步骤：

5、(1)配料：zno、ro和sio2按化学式zn2-x-yrysio4-x的化学计量比进行配比（ro选自la2o3，ceo2，pr6o11，nd2o3，sm2o3，eu2o3，gd2o3，dy2o3，ho2o3，er2o3，tm2o3，yb2o3，lu2o3），其中x=0.2，0≤y≤2，梯度为0.05，特别优选的是y＝0.2；

6、(2)混料：对配好的zno、ro和sio2进行湿法球磨得到浆料，其中所述湿法球磨可以采用聚四氟乙烯球磨罐，氧化锆磨球和行星式球磨机，其中球磨助剂优选为去离子水，球磨时粉料：氧化锆磨球：去离子水的体积比＝1:3～7:8～12，球磨机转速200～400r/min；

7、(3)烘干：将球磨后的浆料倒出，置入烘箱中烘干至恒重，得到干燥的混合料，其中烘干温度可以为80℃～150℃；

8、(4)预烧：将混合料过筛分散后在1000～1200℃进行预烧，合成zn2-xrxsio4化合物粉末，具体可以包括将恒重混合料先过60目标准筛，分散混合料后，置入高温炉中预烧，预烧温度优选为1050℃；

9、(5)球磨：将预烧合成的zn2-x-yrysio4-x化合物粉末进行湿法球磨形成zn2-x-yrysio4-x化合物浆料，湿法球磨的方式如在上述步骤(2)中所述；

10、(6)烘干：将zn2-xrxsio4浆料取出，置于烘箱中烘干至恒重，得到zn2-x-yrysio4-x化合物粉末，其中烘干温度为80℃～150℃，时间12～24h；

11、(7)造粒及压制成型：将烘干之后的zn2-x-yrysio4-x化合物粉末细筛后加入粘合剂，混合均匀后粗筛获得压制成型用粉末，具体可以包括将烘干之后的zn2-x-yrysio4-x化合物粉末先过40～200目的标准筛，然后加入粘合剂，利用玛瑙研钵研磨使之和原料混合均匀，再通过40～200目的标准筛获得下一步压制成型的原料，所述粘合剂优选为聚乙烯醇(pva)，并且聚乙烯醇的优选浓度为5～10wt%，粉料压制的压力为100～300mpa，保压时间10～120秒；

12、(8)排胶烧结：将压制好的生胚放入高温炉中，设置炉子的升温速率为1~10℃/min，升温到500-700℃保温以排除粘合剂，保温时间1-3h，优选2h，然后再按照相同的升温速率升高温度，烧结范围为1200～1325℃，保温时间2-8h，优选为3h，然后以1~10℃/min的降温速率降至300℃以下后随炉自然冷却。

13、本发明提出的一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法以zn2-xsio4-x陶瓷为基体，采用ro掺杂取代（ro选自la2o3，ceo2，pr6o11，nd2o3，sm2o3，eu2o3，gd2o3，dy2o3，ho2o3，er2o3，tm2o3，yb2o3，lu2o3），通过传统固相反应法合成了zn2-x-yrysio4-x两相复合的微波介质陶瓷。两相复合提高了样品的致密性，扩宽了硅酸锌微波介质陶瓷的烧结范围，降低了陶瓷样品的烧结温度，并且本发明的方法制备的微波介质陶瓷介电性能优异，损耗低。本发明可以为谐振器和滤波器等微波通讯元器件提供一种备选材料，具有广阔的应用前景。

14、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，包括主材和改性添加物，其特征在于：所述主材zn2-xsio4-x与改性添加物ro稀土氧化物（ro选自la2o3，ceo2，pr6o11，nd2o3，sm2o3，eu2o3，gd2o3，dy2o3，ho2o3，er2o3，tm2o3，yb2o3，lu2o3）组成的zn2-x-yrysio4-x，其中 0≤x≤0.4，0≤y≤2。包括以下步骤：

2.按照权利要求1所述的一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，其中优选的x=0.2，y＝0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30。

3.按照权利要求1所述的一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，其特征在于，所述步骤s1中zno、ro、sio2的纯度为99.0%～99.99％。

4.按照权利要求1所述的一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，其特征在于，所述步骤s2和s5中湿法球磨采用聚四氟乙烯球磨罐，氧化锆磨球和行星式球磨机，其中球磨助剂为去离子水，球磨时粉料：氧化锆磨球：去离子水的体积比＝1:3～7:8～12，球磨机转速200～400r/min,球磨时间为6～24h。

5.按照权利要求1所述的一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，其特征在于，所述步骤s3和s6中浆料烘干温度为80℃～150℃，时间12～24h。

6.按照权利要求1所述的一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，其特征在于，所述步骤s4中预烧温度为1000～1200℃，由室温升温至预烧处理的升温速率为1～10℃/min，保温时间2～6 h，以2～10℃/ min降温至600℃后，随炉降温至室温。

7.按照权利要求1所述的一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，其特征在于，所述步骤s4、s5、s6共同作为可选步骤，即实施步骤可以为s1-s8共同完成，或s1、s2、s3、s7、s8步骤共同完成。

8.按照权利要求1所述的一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，其特征在于，所述步骤s7中的粘合剂为5～10wt%聚乙烯醇，采用40～200目的标准筛，粉料压制的压力为100～300mpa，保压时间10～120秒。

9.按照权利要求1所述的一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，其特征在于，所述步骤s8中烧结时排胶的温度为500～700℃，排胶的时长为1～3h；烧结温度1200～1325℃，升温速率1～10℃/min，保温2～8小时，以1～10℃/ min降温至300℃后，随炉降温至室温。

10.一种如权利要求1～2任意一项所述低介电常数陶瓷材料的应用，其特征在于，应用于制作微波器件，所述微波器件包括叠层天线、介质天线、滤波器和谐振器。

技术总结本发明提供一种微波器件用的稀土氧化物掺杂改性硅酸锌陶瓷及其制备方法，涉及信息功能陶瓷材料领域，可广泛应用于微波可调器件尤其是滤波器等领域。该陶瓷材料包括主材Zn<subgt;2‑</subgt;<subgt;x</subgt;SiO<subgt;4‑x</subgt;与改性添加物RO稀土氧化物（RO选自La<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，CeO<subgt;2</subgt;，Pr<subgt;6</subgt;O<subgt;11</subgt;，Nd<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，Sm<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，Eu<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，Gd<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，Dy<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，Ho<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，Er<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，Tm<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，Yb<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，Lu<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;）组成的Zn<subgt;2‑x‑y</subgt;R<subgt;y</subgt;SiO<subgt;4‑x</subgt;，其中0≤x≤0.4，0≤y≤2。步骤如下：将ZnO、SiO<subgt;2</subgt;、RO按照一定比例混合，经球磨、烘干、过筛、预烧、二次球磨、造粒、过筛、制坯、烧结，得到硅酸锌基微波介质陶瓷。本发明制备得到的低损耗、低介电常数的Zn<subgt;2‑x‑y</subgt;R<subgt;y</subgt;SiO<subgt;4‑x</subgt;陶瓷解决了硅酸锌基微波介质陶瓷烧结温度高及烧结范围窄及带来的ZnO第二相、烧结产品气孔多、品质因数严重下降等技术问题，达到了使硅酸锌基微波介质陶瓷可在1200～1325℃的温度范围内烧结成瓷且致密，介电常数ε可调，其值介于5～7.9之间的技术效果。技术研发人员：蒋婷,文玮,杨伟泽,马星云,卢耀福受保护的技术使用者：西华师范大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29