一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷及其制备方法

本发明涉及介质陶瓷，具体涉及一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、目前，微波介质陶瓷已被广泛应用于无线通讯产品，如移动手机、通讯基站、gps以及wlan等，而5g/6g通讯时代的到来对微波介质陶瓷提出了更高的性能要求。相应的电子元器件应具有适当的相对介电常数，高的品质因数(q×f≥20000ghz)和近零的谐振频率温度系数(-10ppm/℃≤τf≤10ppm/℃)。由于信号传输速率与介质材料的相对介电常数的平方根成反比，低的相对介电常数能减小材料与电极之间的交互耦合损耗并提高电信号的传输速率；而频率越高，要求材料的损耗越小，因此高q×f值有利于提高器件工作频率的可选择性和简化散热结构设计，近零的谐振频率温度系数可以保证电子元器件的工作稳定性。因此，开发新型低相对介电常数(εr<15)、高q×f值以及近零τf的微波介质陶瓷逐渐成为研究热点。目前，单一相微波介质陶瓷很难同时满足上述三个性能，如何设计高性能微波介质陶瓷体系仍然是一个很大的挑战。

2、受高熵合金的启发，2015年研究人员首次提出了高熵氧化物的概念并成功制备出了具有岩盐结构的(mg0.2co0.2ni0.2cu0.2zn0.2)o陶瓷。随后，高熵陶瓷的组成逐渐扩展到了碳化物、硼化物、硅酸盐等。近年来，研究发现当一个晶格位点被三种或四种离子占据时，也能形成稳定的氧化物，这类陶瓷被称为中熵陶瓷。目前，中熵氧化物陶瓷的研究主要集中在光学性能、电学性能以及导热性能方面。

3、石榴石结构疏松，具有丰富的可替代的晶格位置，这有利于引入大量阳离子来调控石榴石的功能特性。在高熵效应被引入微波介质陶瓷后，组元的可选择性及性能的多样性为微波介质陶瓷的性能调控提供了一种新的途径，而中熵陶瓷在微波介质领域的应用研究还未见报道。

4、鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决如何设计具有适当的相对介电常数、高的品质因数和近零的谐振频率温度系数的高性能微波介质陶瓷体系，提供了一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明公开了一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

3、s1，将所需原料caco3、coo、cuo、mgo、zno、sio2和v2o5均在称量前进行干燥；

4、s2，根据ca3(co0.25cu0.25mg0.25zn0.25)2siv2o12的化学式，称取caco3、coo、cuo、mgo、zno、sio2和v2o5起始原料，将得到的混合粉体同无水乙醇进行球磨，得到泥浆状原料后烘干至恒重，最后过筛得到均匀干燥的生料混合粉体；

5、s3，将生料混合粉体进行煅烧处理，经反应后得到ca3(co0.25cu0.25mg0.25zn0.25)2siv2o12煅烧粉料，将煅烧粉料与无水乙醇进行二次球磨，形成均匀分散的泥浆状原料后烘干至恒重，最后过筛得到均匀干燥的ca3(co0.25cu0.25mg0.25zn0.25)2siv2o12预制粉料；

6、s4，将所述预制粉料加入pva水溶液后进行造粒，压制成陶瓷素坯，随后将所述素坯进行排胶和烧结，得到ca3(co0.25cu0.25mg0.25zn0.25)2siv2o12中熵微波介质陶瓷。

7、所述步骤s1中，干燥温度为80℃，干燥时间为24h。

8、所述步骤s2和步骤s3中，均采用氧化钇增韧氧化锆球进行球磨，且原料、无水乙醇和氧化钇增韧氧化锆球的质量比为1:2:4，球磨时间为12h，球磨机转速为300r/min。

9、所述步骤s2和步骤s3中，烘干温度均为80℃，烘干时间均为24h，过筛均采用100目筛网。

10、所述步骤s3中，煅烧处理温度为950℃，保温时间为8h，升温速率为5℃/min，煅烧处理后随炉冷却至室温。

11、所述步骤s4中，pva水溶液的质量分数为5％，pva水溶液添加量为预制粉料质量的6％。

12、所述步骤s4中，压片采用干压成型技术，压力为150mpa，保压时间为2～3min。

13、所述步骤s4中，素坯的直径为10mm，高度为5～6mm。

14、所述步骤s4中，排胶处理的温度为600℃，升温速率为1℃/min，保温时间为2h，排胶处理后继续进行烧结过程，烧结温度为970～1050℃，升温速率为5℃/min，保温时间为8h，烧结处理后随炉冷却至室温。

15、本发明还公开了一种采用上述制备方法制得的具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷，所述中熵微波介质陶瓷的化学式为ca3(co0.25cu0.25mg0.25zn0.25)2siv2o12，所述中熵微波介质陶瓷介电常数为8.1～10.8，品质因数为23490～59200ghz，谐振频率温度系数为-11.2～-9.2ppm/℃。

16、与现有技术比较本发明的有益效果在于：

17、1、基于中熵的独特效应，首次将中熵概念引入石榴石结构微波介质陶瓷中，通过优化烧结温度成功合成一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷；

18、2、中熵微波介质陶瓷的烧结温度低、显微结构均匀且相对密度最高可达95％；

19、3、中熵微波介质陶瓷的介电常数为8.1～10.9，品质因数为23490～59200ghz，谐振频率温度系数为-11.2～-9.2ppm/℃，在毫米波通信领域具有良好的应用前景；

20、4、本发明采用传统固相烧结法，制备工艺操作简单、制备周期短、复现性强、材料成本低，具有重要的工业应用价值。

技术特征：

1.一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，干燥温度为80℃，干燥时间为24h。

3.如权利要求1所述的一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s2和步骤s3中，均采用氧化钇增韧氧化锆球进行球磨，且原料、无水乙醇和氧化钇增韧氧化锆球的质量比为1:2:4，球磨时间为12h，球磨机转速为300r/min。

4.如权利要求1所述的一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s2和步骤s3中，烘干温度均为80℃，烘干时间均为24h，过筛均采用100目筛网。

5.如权利要求1所述的一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，煅烧处理温度为950℃，保温时间为8h，升温速率为5℃/min，煅烧处理后随炉冷却至室温。

6.如权利要求1所述的一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，pva水溶液的质量分数为5％，pva水溶液添加量为预制粉料质量的6％。

7.如权利要求1所述的一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，压片采用干压成型技术，压力为150mpa，保压时间为2～3min。

8.如权利要求1所述的一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，素坯的直径为10mm，高度为5～6mm。

9.如权利要求1所述的一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，排胶处理的温度为600℃，升温速率为1℃/min，保温时间为2h，排胶处理后继续进行烧结过程，烧结温度为970～1050℃，升温速率为5℃/min，保温时间为8h，烧结处理后随炉冷却至室温。

10.一种采用如权利要求1～9任一项所述的制备方法制得的具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷，其特征在于，所述中熵微波介质陶瓷的化学式为ca3(co0.25cu0.25mg0.25zn0.25)2siv2o12，所述中熵微波介质陶瓷介电常数为8.1～10.8，品质因数为23490～59200ghz，谐振频率温度系数为-11.2～-9.2ppm/℃。

技术总结本发明涉及介质陶瓷技术领域，具体涉及一种具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷及其制备方法，所述具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷的化学组成表达式为Ca<subgt;3</subgt;(Co<subgt;0.25</subgt;Cu<subgt;0.25</subgt;Mg<subgt;0.25</subgt;Zn<subgt;0.25</subgt;)<subgt;2</subgt;SiV<subgt;2</subgt;O<subgt;12</subgt;。本发明基于熵的独特效应，首次将中熵概念引入石榴石结构微波介质陶瓷中，通过优化烧结温度成功合成具有石榴石结构的Ca<subgt;3</subgt;(Co<subgt;0.25</subgt;Cu<subgt;0.25</subgt;Mg<subgt;0.25</subgt;Zn<subgt;0.25</subgt;)<subgt;2</subgt;SiV<subgt;2</subgt;O<subgt;12</subgt;中熵微波介质陶瓷。其介电常数为8.1～10.9，品质因数为23490～59200GHz，谐振频率温度系数为‑11.2～‑9.2ppm/℃。本发明的具有石榴石结构的中熵微波介质陶瓷具有低介电常数、高品质因数和近零谐振频率温度系数的特性，在毫米波无线通信领域具有良好的应用前景。同时具有制备工艺操作简单、制备周期短、复现性强和材料成本低等特点。技术研发人员：李家茂,王俊贤,王泽星,郭云凤,陶振李受保护的技术使用者：安徽工业大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17