低介电常数的微波介质陶瓷材料及其制备方法 技术领域
本发明涉及电子信息材料技术领域，具体涉及一种低介电常数的微波介质
陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
现代通讯技术的发展，大大推动了电子元器件向小型化、片式化和高频化
方向发展的进程。微波陶瓷器件也正向片式化、微型化甚至集成化方向发展。
典型的应用领域包括：军用和民用的空间技术、雷达、移动通信、卫星通信和
GPS等。通常低和中介电常数的微波介质陶瓷材料主要应用在卫星直播及军用
雷达等领域。随着微波通讯技术的快速发展，适用于更高频段应用的微波介质
陶瓷的研究也日益迫切，低介电常数的微波介质陶瓷材料的研究也逐渐向介电
常数的低端极限发展。
目前微波陶瓷行业市场上销售的低介电常数微波材料有Al2O3基介质陶瓷
材料、MgO-ZnO-Al2O3基介质陶瓷材料和ZnSiTi基介质陶瓷材料等。Al2O3基
介质陶瓷材料的缺点是烧结温度过高，通常需要高于1500℃的烧结温度，而且
其介电常数也未达到一个较低的值（其Er=9～11）。
CN 1830889A公开了一种低介电常数微波介质陶瓷，其组成式为：
xMgO·yZnO·zAl2O3，其中，5.0mol%≤x≤55.0mol%，5.0mol%≤y≤55.0mol%，
45.0mol%≤z≤55.0mo1%，x+y+z=100mo1%。该发明中MgO-ZnO-Al2O3基介质
陶瓷材料原材料成本高，而且其烧结温度也很高（>1500℃），工业应用范围较
窄。
CN 1765820A公开了一种低介电常数微波介质陶瓷材料，属于微波介质陶
瓷材料，目的是其具有低损耗与良好的温度稳定性，同时介电常数低于10。表
达式为uZnO-vSiO2-wTiO2的固溶体介质陶瓷，其中58.0mol.%≤u≤69.0mol.%，
28.0mol.%≤v≤35.0mol.%，3.0mol.%≤w≤7mol.%，其主晶相为Zn2SiO4，副
相为TiO2。该发明ZnSiTi基介质陶瓷材料的原材料成本高，工业应用价值受限，
而且其介电常数还未能达到Εr<7。
发明内容
针对上述现有低介电常数的微波介质陶瓷材料技术和成本上的不足，本发
明的目的是提供一种低介电常数的微波介质陶瓷材料及其制备方法。本发明可
以在中温烧结（1250～1300℃）的条件下保持以下的微波介电性能：Er=6.0～7.0，
Qf>10000GHz，可调的τf并且符合<±30ppm/℃的要求，可满足微波移动通信、
卫星通信和雷达系统等领域的技术需求，而且原材料和工艺成本低廉，具有重
要的工业应用价值。
为了达到上述发明的目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
本发明首先提供了一种低介电常数的微波介质陶瓷材料，其组成表达式为
aMgO-bSiO2-cTiO2-dCaCO3，其中a、b、c和d分别独立表示摩尔比率，并满足
下述条件：40.0mol%≤a≤50.0mol%，35.0mol%≤b≤50.0mol%，0mol%≤c≤
15.0mol%；0mol%≤d≤20.0mol%，a+b+c+d=100mol%。
本发明制备时，用于制造陶瓷粉料主料的起始原料不限于各元素的氧化物，
可以使用各构成元素的碳酸盐，硝酸盐，有机金属盐等代替。最好各起始原料
的纯度都大于99％，但是也不做特别限制。
所述材料的组成满足：a=47.5mol%，b=38.5mol%，c=5.1mol%，d=8.9mol%；
或，a=40.1mol%，b=42.5mol%，c=14.7mol%，d=2.7mol%。
本发明还提供了一种如上所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，所述方法
包括以下步骤：
1）按摩尔比率称量由aMgO-bSiO2-cTiO2-dCaCO3表示的组合物中各起始原
料，以去离子水作为分散介质混合各起始原料；
2）对混合后的粉料进行分散和粉碎，制成浆料；
3）将浆料烘干后煅烧，合成基体粉料；
4）对上述基体粉料进行分散、粉碎和烘干；
5）往混合粉料中加入粘结剂混合后进行造粒，压制成陶瓷坯体；
6）将陶瓷坯体烧结成微波介质陶瓷材料。
本发明步骤2）及4）所述的粉碎采用球磨工艺或砂磨工艺。
本发明步骤3）所述的煅烧温度为1000～1200℃，例如可选择
1000.2～1198.6℃，1008～1180℃，1030～1160.5℃，1053.6～1130℃，1080～1115℃，
1096℃等，优选为1120℃。
煅烧时间为2～10h，例如可选择2.03～9.8h，2.6～9.34h，3～9h，4.2～8.2h，5～7h，
6.3h等，进一步优选为6h。
本发明步骤5）所述的粘结剂选自聚乙烯醇溶液、聚乙烯醇缩丁醛溶液、
丙烯酸溶液或甲基纤维素中的一种或至少两种的混合物。上述粘结剂可以单独
使用，也可以复合使用其中两种以上的粘结剂。粘结剂相对于陶瓷材料的添加
百分含量为10～20%，例如可选择10.02～19.6%，12～18.5%，13.4～16.8%，15%
等，皆可用于实施本发明。
所述的压制压力为4MPa。
本发明步骤6）所述的烧结温度为1250～1300℃，例如可选择1250.3～1299℃，
1258～1280℃，1263～1275.6℃，1272℃等，优选为1280℃。
烧结时间为2～10h，例如可选择2.03～9.6h，2.8～9h，4～8.3h，4.6～8h，5.3～7.3h，
6～7h，6.7h等，进一步优选为4h。
一种低介电常数的微波介质陶瓷材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1）按摩尔比例称量由aMgO-bSiO2-cTiO2-dCaCO3表示的组合物中各起始原
料，以去离子水作为分散介质混合各起始原料；
2）采用球磨工艺或其他如砂磨工艺等对混合后的粉料进行分散和粉碎，制
成浆料；
3）将浆料烘干后在1000～1200℃下煅烧2～10h，合成基体粉料；
4）基体粉料以去离子水为分散介质，采用球磨或其他如砂磨等粉碎工艺进
行分散、粉碎和烘干；
5）往混合粉料中加入聚乙烯醇溶液混合后进行造粒，在4MPa的压力下压
制成陶瓷坯体；
6）在大气气氛中，在1250～1300℃下保温2～10h烧结成微波介质陶瓷材料。
与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
本发明由于采用了上述材料组成及其制备方法，使陶瓷材料在中温烧结的
条件下可以保持高介电常数Er=6.0～7.0，Qf>10000GHz，可调的温度系数τf<
±30ppm/℃，并且粉料中不含铅、镉和砷等有毒元素。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，
并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限
制性的实施例如下：
本发明的微波介质陶瓷粉料是由aMgO-bSiO2-cTiO2-dCaCO3化学式表示的
组合物。其中a、b、c和d分别独立表示摩尔比率，并满足下述条件：40.0mol%
≤a≤50.0mol%，35.0mol%≤b≤50.0mol%，0mol%≤c≤15.0mol%；0mol%≤d
≤20.0mol%，a+b+c+d=100mol%。
其中，实施例1-20及比较例1-2中陶瓷粉料的组成如表1所示。
表2为各实施例、比较例实施的具体工艺条件。
表3为采用圆柱介质谐振器法进行测量的微波介电性能。
本实施方案中主料的起始原料采用的是MgO、SiO2、TiO2和CaCO3粉体。
各实施例和比较里采用的制备方法包括以下步骤：
1）按摩尔比例称量由aMgO-bSiO2-cTiO2-dCaCO3表示的组合物中各起始原
料，以去离子水作为分散介质混合各起始原料；
2）采用球磨工艺或其他如砂磨工艺等对混合后的粉料进行分散和粉碎，制
成浆料；
3）将浆料烘干后在1000～1200℃下煅烧2～10h，合成基体粉料；
4）基体粉料以去离子水为分散介质，采用球磨或其他如砂磨等粉碎工艺进
行分散、粉碎和烘干；
5）往混合粉料中加入聚乙烯醇溶液混合后进行造粒，在4MPa的压力下压
制成陶瓷坯体；
6）在大气气氛中，在1250～1300℃下保温2～10h烧结成微波介质陶瓷材料。
表1.陶瓷粉料各组成成分的摩尔比率(mol%)
表2.各实施例的工艺参数
表3.陶瓷粉料的微波介电性能
从表3可知，上述实施例1-20相对于比较例1-2而言，可以实现在中温
（1250～1300℃）的温度区间内的烧结，并且可以保持优异的微波介电性能：介
电常数Er=6.0～7.0、品质因数Qf值>10000GHz和NPO型频率温度系数τf≤±
30ppm/℃。
表3中的结果还表明：
（1）随着烧结温度的提高，介电常数和品质因数均略微增大，温度系数随
烧结温度变化微小。
（2）随着陶瓷组分中MgO含量的增大，介电常数缓慢增加，而随SiO2组
分含量增大，介电常数逐渐降低。
（3）品质因数Qf值随MgO含量增加有先出现增大，然后逐渐下降的趋势，
同时Qf有随SiO2组分含量的增加有下降的趋势。
（4）TiO2和CaCO3组分起到调制陶瓷频率温度系数的作用，随TiO2和
CaCO3组分含量的增加，频率温度系数向正值方向移动。
在本实施例的所有组分范围中，(1)a=47.5mol%，b=38.5mol%，c=5.1mol%，
d=8.9mol%的成分点取得最佳品质因数Qf的微波介电性能：Er=6.80，
Qf=11987GHz，τf=-7.2ppm/℃。(2)a=40.1mol%，b=42.5mol%，c=14.7mol%，
d=2.7mol%的成分点取得最佳频率温度系数的微波介电性能：Er=6.14，
Qf=9398GHz，τf=+0.1ppm/℃。
本发明具有较好的低介电常数性能（Er=6.0～7.0），Qf值高和可调的频率温
度系数。而且其配方组成的原材料和工艺成本低廉，可广泛用于各种介质谐振
器和介质天线等微波器件的制造，满足移动通信、卫星通信等系统的技术需求，
具有重要的工业应用价值。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的材料组成及制备方法，
但本发明并不局限于上述操作步骤，即不意味着本发明必须依赖上述操作步骤
才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发
明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发
明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施
方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进
行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，
在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重
复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不
违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。