КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2012 года по МПК C04B35/20 

Изобретение относится к материалам электронной техники, в частности к микроволновой технике, и может быть использовано в производстве термостабильных керамических резонаторов, подложек, фильтров и других изделий СВЧ-техники. Современная радиоэлектронная аппаратура предъявляет высокие требования к характеристикам керамических материалов, таким как диэлектрическая проницаемость ε′, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ_ε или добротность Q=1/(tgδ_ε), а также температурный коэффициент частоты ТКЧ. Кроме того, в ряде случаев требуется обеспечить оптимальное сочетание основных параметров, что ставит дополнительные задачи.

При конструировании фильтров и резонаторов на различные частотные диапазоны используются термостабильные керамические материалы с рядом значений диэлектрической проницаемости. Как в России, так и за рубежом разработаны и успешно применяются термостабильные керамические материалы с диэлектрической проницаемостью ε′=20…30; 35…40; 75…80; 82…100.

Для более высоких рабочих частот f=10÷20 ГГц требуются керамические материалы с меньшими значениями диэлектрической проницаемости, чем у известных материалов (f~1/√ε′). Так, для указанного диапазона необходим термостабильный диэлектрический материал со значением ε′≈10.

Состав, параметры, фирмы-производители и библиографические данные известных керамических материалов с ε′≈10 приведены в табл.1. Все материалы 1, 2, 3 и 4 табл.1, являющиеся аналогами, имеют малые диэлектрические потери, но не обладают термостабильностью.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является керамический материал №4 (табл.1), взятый в качестве прототипа. Недостатком данного материала является отсутствие термостабильности диэлектрических свойств. Это обстоятельство делает невозможным использовние данного материала для резонаторов селективных фильтров СВЧ.

Целью данного изобретения является получение термостабильного керамического материала с ТКЧ=0±15·10^-6 1/град при сохранении диэлектрической проницаемости ε′=10±0,3 и малых диэлектрических потерь tgδ_ε≤2·10⁴.

Для этого предлагается керамический материал, который отличается тем, что в исходных компонентах дополнительно содержится оксид кальция, а также иным соотношением оксидов, обеспечивая получение термостабильного керамического материала, при сохранении диэлектрической проницаемости и малых диэлектрических потерь, при следующих соотношениях компонентов, вес.%:

MgO 48,7÷51,5

ТiO₂ 5,9÷8,8

СаО 4,2÷6,2

ZrO₂ 0,05÷0,3

SiO₂ остальное.

Предлагаемый материал получают по следующей технологии.

Исходные компоненты, взятые в необходимых соотношениях, тщательно перемешивают алундовыми или циркониевыми мелющими телами в дистиллированной воде в течение 20-24 часов. Высушенную смесь протирают через капроновое сито и синтезируют при температуре 1150÷1200°С в течение 4-8 часов. Измельчение проводят по режиму, аналогичному первому помолу, прессуют изделия при удельном давлении 0,8÷1,0 т/см² и обжигают на воздухе при температуре 1300÷1350°С в течение 2÷4 часов.

Примеры получения керамического материала, их состав исходных компонентов и свойства приведены в таблице 2.

В примерах №1, 2, 3 даны химические составы в пределах заявленных процентных соотношений и соответствующие им диэлектрические свойства. Как видно на этих примерах, характеристики соответствуют поставленной цели.

Пример №4. Снижение содержания СаО и ZrO₂ ниже заявляемого приводит к увеличению ТКЧ до +20·10^-6. Увеличение MgO способствует снижению диэлектрической проницаемости и увеличению диэлектрических потерь.

Пример №5. Увеличение содержания СаО и ZrO₂ выше нормы приводит к росту отрицательного значения ТКЧ. При снижении содержания MgO ниже заявляемого растет диэлектрическая проницаемость.

Пример №6. Снижение содержания TiO₂ способствует уменьшению ε′ и росту отрицательного значения ТКЧ.

Пример №7. Увеличение содержания TiO₂ выше нормы ведет к увеличению ε′ и tgδε, а также росту положительного значения ТКЧ>N.

Таблица 2 Пример № Химический состав, вес.% Диэлектрические свойства материала ε′ tgδ_ε ТКЧ, 1/°С 1 MgO - 51,5 10,0 1,8·10^-4 -15·10^-6   TiO₂ - 5,9         СаО - 4,2         ZrO₂ - 0,05         SiO₂ - 38,35       2 MgO - 48,7 10,3 2·10^-4 +15·10^-6   TiO₂ - 8,8         СаО - 6,2         ZrO₂ - 0,3         SiO₂ - 36,0       3 MgO - 50,40 9,7 1,9·10^-4 -2,2·10^-6   TiO₂ - 7,00         CaO - 4,90         ZrO₂ - 0,14         SiO₂ - 37,56       4 MgO - 51,6 9,5 3,5·10^-4 +20·10^-6   TiO₂ - 6,0         CaO - 4,1         ZrO₂ - 0,04         SiO₂ - 38,26       5 MgO - 48,6 10,5 2·10^-4 -18·10^-6   TiO₂ - 8,6         CaO - 6,3         ZrO₂ - 0,35         SiO₂ - 36,15       6 MgO - 51,0 8,8 2·10^-4 -42·10^-6   TiO₂ - 5,8         СаО - 4,9         ZrO₂ - 0,2         SiO₂ -38,1       7 MgO - 49,2 11,0 3,8·10^-4 +31·10^-6   TiO₂ - 8,9         CaO - 6,0         ZrO₂ - 0,28         SiO₂ -35,62      

Предлагаемое изобретение было создано в процессе выполнения тематического плана предприятия «Разработка базовой серийной технологии для выпуска малогабаритных объемных керамических фильтров». Создание нового материала позволило расширить номенклатуру современных селективных устройств для перспективной радиоэлектронной аппаратуры. Получены опытные образцы и выпущен комплект технической и технологической документации.

Изобретение относится к материалам электронной техники и может быть использовано в производстве термостабильных керамических резонаторов, подложек, фильтров и изделий СВЧ-техники. Предлагаемый керамический материал содержит оксиды магния, титана, циркония, кальция и кремния при следующих соотношениях компонентов, вес.%: MgO 48,7-51,5, ТiО₂ 5,9-8,8, СаО 4,2-6,2, ZrO₂ 0,05-0,3, SiO₂ - остальное. Температурный коэффициент частоты указанного материала изменяется не более чем от -15·10^-6 до +15·10^-6 1/град при сохранении величины диэлектрической проницаемости ε′=10±0,3 и малых диэлектрических потерях tgδ_ε≤2·10^-4. Технический результат изобретения - получение термостабильного керамического материала, позволяющего создавать малогабаритные объемные керамические резонаторы и фильтры, что позволит расширить номенклатуру современных селективных устройств в более высокочастотном диапазоне. 2 табл.

Керамический материал, содержащий окислы магния, титана, циркония и кремния, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид кальция при следующих соотношениях компонентов, вес.%:
MgO 48,7-51,5 ТiO₂ 5,9-8,8 СаО 4,2-6,2 ZrO₂ 0,05-0,3 SiO₂ остальное