《功能陶瓷》实验指导书(修订)

实微波介质陶瓷的制备工艺和介电性能

一、实验目的

1.了解微波介质陶瓷的制备过程和注意问题

2.了解微波介质陶瓷的介电性能特点并掌握测量方法。

二、实验内容

1.用固相反应法制备微波介质陶瓷。

2.微波介质陶瓷的介电性能测定。

三、实验材料和实验设备

实验材料：原材料根据制备的材料而定。

实验设备：电子天平、分析天平、蒸馏水制取机、行星式球磨机、SB手动式压片机、电热鼓风恒温干燥箱、红外干燥箱、SX2-12-17高温箱式电阻炉、AV2782型精密LCR测试仪、DWB2-6高低温实验箱等。

其它：蒸馏水、电极银浆、玛瑙球磨罐、玛瑙研钵、玛瑙、ZrO2磨球等。

四、实验过程

1.概述

微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，其主要应用于制造介质谐振器，微波集成电路基片、元件、介质波导、介质天线、输出窗、衰减器、匹配终端、行波管夹件棒，滤波器等重要元件。在制作这些元件的过程中要求微波介质陶瓷有如下性能：

①高的相对介电常数εr：

介电常数是衡量电介质材料储存电荷能力的参数，因材料内部微波波长反比于εr，εr 高即可使材料尺寸减小，所以通常要求其值在20~110之间。

②高的品质因素Q：

Q反比于tgδ，而tgδ是有耗电容器每周期消耗的电能与其储存电能的比值，是经常用来表示介质损耗大小的量。Q高，即采用低损耗介质材料，可保证具有高无负载Q的谐振，获得良好的滤波特性及通信质量。在工作频率下，Q＞3000可满足基本的应用要求；若Q 值＞5000，则更好。

③接近于0的谐振频率温度系数τf：

其表示环境温度变化时谐振中心频率的相对漂移量。为了获得谐振器谐振频率的高度温度稳定性，τf值控制在0ppm/℃附近是非常重要的，为了更好地满足使用的需要，还希望材料的谐振频率温度系数τf的序列化，所以通常将其值控制为：－10ppm/℃~10ppm/℃。

微波介质陶瓷按材料的组成与结构来分，大致分为：(1)BaO-TiO2体系；

(2)BaO-Ln2O3-TiO2体系；(3)钙钛矿结构及其复合(Complex Perovskite)的氧化物系；

(4)ZrO2-SnO-TiO2体系；（5）其他体系。

通常微波介质陶瓷粉末可以由固相合成法和湿化学合成法合成。湿化学合成法包括溶胶－凝胶法、共沉淀法和水热法等，其中研究用的最多的是溶胶－凝胶法。而固相合成法主要包括固相反应法、固相热分解法、自蔓延高温合成法、固态置换法以及机械合金化法等。而本次试验我们主要采用的是固相反应法，其是将金属盐或金属氧化物按一定比例充分混合，研磨后进行锻烧，通过发生固相合成法制得粉体。该方法制得的粉体成本低，产量高，制备工艺简单，但其粒径大，粒度分布宽，组分不太均匀。

2. 微波介质陶瓷的制备、性能测试和微观分析流程（图1）

图1 微波介质陶瓷的制备、性能测试和微观分析流程图

3. 计算组分质量百分比的方法

按化学计算式计算配料比。这种计算主要用于合成料的配制，如合成BaTiO 3、SrTiO 3等。设原料纯度为100％，化学计算式中各原料的摩尔数为X 1、X 2、X 3……X i ，各原料分子量为M 1、M 2、M 3……M i ，则配料中各原料质量为W 1＝X 1×M 1、W 2＝X 2×M 2、W 3＝X 3×M 3……W i ＝X i ×M i ，各原料的质量百分比计算公式为：

％10011⨯=∑i w w g ％10022⨯=∑i w w g ％10033⨯=∑i w w g …％100i i ⨯=∑i

w w g

若考虑实际原料的纯度P ，则各原料的实际质量应为上述计算式除以相应原料的纯度，即

p

w w =' 4. 制备过程中注意事项

（1） 称量时先进行粉末的干燥，除去水分。注意不能对易于分解的材料进行干

燥，温度一般100~110℃左右。称量时要先进行电子天平的调节，保证称

量的精确性。

（2） 球磨混粉时，一般使用溶剂（如水、酒精等）助磨，但是粉料不能与助磨

剂反应。且助磨剂和粉料的总量不能大于球磨罐的2/3。主要的目的是进行

粉末的混合，使各成份均匀化。一般工艺参数为行星式球磨机上湿磨4h ，

球磨机转速220 r/min ，料：球：酒精＝1：2：1。

（3） 粉末进行预烧后，进行球磨粉碎，粉碎要进行干磨，主要是进行烧结后的

粉末细化。

（4） 所谓造粒，就是在很细的粉料中加入一定塑化剂，制成粒度较粗，具有一

定假颗粒度级配、流动性好的粒子。造粒时加入一定量的粘结剂，作用是

使粉末易于成型，粘结剂的加入量与材料烧结的性能有很大的关系。粘结

剂的加入量太少，不宜于成型，太多则排胶不易完全排除而影响材料性能。

本实验将质量比为10%的8%浓度的聚乙烯醇(PVA)加入到粉料中，使粘接剂

与粉体混合均匀后，过40目筛。

（5） 压片时一般采用在150MPa 压力模压成型。将造粒过筛后的粉料，置于直

径为10mm 的压片模具中，在压力机上单向加压，单向施压成φ10×3～5mm

的薄片，压力为16kN ，保压时间为1.0min 。压片时应注意的是：把粉料放

到模具中时，应尽量使粉体放平，以使粉体受力均匀，厚度均一。

（6） 烧结一般为3h 。将压制成的片置于铺了一层该材料粉的耐火承烧板上进行

烧结。烧结过程时要注意在一定温度下（500-600℃）进行充分排胶，排胶

的质量与烧结后的性能有很大的关系，如果粘接剂不能完全排除的话，材

料的成分就会发生变化，而不能达到试验要求的目的。

5. 试样的性能测量

微波介质陶瓷主要测试的性能指标有：体积密度；介电性能为：介电常数、品质因数、频率温度系数。

（1） 体积密度

用阿基米德排水法测量。测量时先将试样两面经仔细研磨后，清洗干净，然后干燥至恒重。在分析天平上称量经干燥后的试样，记下数据G 1。试样在沸腾的蒸馏水中煮4h 后冷却1h 。取出试样，将试样放在细铜丝编制的网中（注意试样应浮在水中）悬挂在分析天平称重G 21，取出试样称网重G 22。两者相减即为试样在水中的重量G 2=G 21-G 22。将试样表面的残余水分用湿毛巾吸干表面上的水滴，在分析天平上称重即为试样的湿重G 3。

体积密度=G 1/［(G 5-G 4)/ γ水］ ×100%

G 1分别为干燥试样在空气中的质量；

G 2为试样经充分吸水后在水中的表观质量（g ）

； G 3为试样经充分吸水后在空气中的质量（g ）

； γ水为蒸馏水的密度（g/cm 3）

，取1g/cm 3。

（2） 介电常数ε和品质因数Q

用LCR 测试仪测量室温下的电容量C 0和介质损耗tg δ。测量前要把试样磨平、清洗，然后在两个表面均匀地涂上银浆，在800℃下烧银，保温时间为15min.。

使用游标卡尺测量试样的直径，用千分表测量试样的厚度。将被银的试样放在LCR 测试仪的夹具中，读取1MHz 下的电容量C 0和介质损耗tg δ或者品质因数Q （品质因数Q ＝1 / tg δ）。

介电常数： 0r 214.4C h d

ε= εr ― 相对介电常数

C 0― 样品在室温下的电容量 , pf

h ― 样品厚度, cm

d ― 样品直径, cm

（3） 频率温度系数τf