КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2013 года по МПК C04B35/462 

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', тангенес угла диэлектрических потерь - tgδ_ε или добротность - Q=1/tgδ_ε, а так же 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÷90. Для важнейшего частотного диапазона 0.1-2.0 ГГц (мобильная связь) дальнейшая миниатюризация микроволновых систем может быть достигнута при использовании высокопроницаемой керамики с ε'>90 с хорошей термостабильностью и малыми диэлектрическими потерями.

В работе Woo Sup Kirn и др. (Jpn. J. Appl. Phys. V.39. 2000, pp 5650-5653) описывается диэлектрический материал с ε' до 110 в системе: Ca_0,4 Sm_0,4 TiO₃-Li_0,5-Nd_0,5-TiO₃, однако с увеличением ε'>98, ТКЧ имеет большую отрицательную величину, - 80·10^-6 град^-1, при высоком значении диэлектрических потерь tgδ_ε=6.7×10^-4.

Керамический материал с ε'=114 был представлен в статье Т. Okawa и др. (Jpn. J. Appl. Phys. V.39. 2000, pp 5645-5649) в системе составов BaO-Nd₂O₃-Bi₂O₃-TiO₂. Однако к его недостаткам относятся высокие диэлектрические потери tgδ_ε=1.8×10^-3 и большое значение температурного коэффициента частоты ТКЧ=+43,8·10^-6.

В этой же системе составов известен патент РФ №1145643 МПК С04В 35/46 авторов Ненашева Е.А. и др. На материал состава, вес %:

ВаО - 13.6-16.13

Nd₂O₃ - 27.4-35.9

Bi₂O₃ - 6.6-16.4

PbTiO₃ - 3.5-8.9

TiO₂ - остальное

Его диэлектрические параметры измерены на частоте f=1 МГц: ε'=95-122; tgδ_ε=2-3×10^-4; ТК_ε=(+47÷3-3)·10^-6 град^-1.

Этот патент является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения по совокупности существенных признаков и достигаемому результату и взят нами за прототип.

Недостатком данного материала является большой температурный коэффициент диэлектрической проницаемости и это обстоятельство делает невозможным использование данного материала для резонаторов селективных фильтров СВЧ диапазона.

Целью данного изобретения является получение термостабильного керамического материала с ТКЧ=0±10×10^-6 град^-1 с малыми диэлектрическими потерями tgδ_ε=5×10^-4 при сохранении величины диэлектрической проницаемости ε'=100÷130. Для этого предлагается материал, который отличается тем, что в исходных компонентах содержится оксид празеодима, а так же иным соотношением оксидов, обеспечивая получение термостабильного керамического материала с малыми потерями при сохранении диэлектрической проницаемости при следующих соотношениях компонентов, вес %.

ВаО - 13.2-16.7

PbO - 2.6-6.7

Bi₂O - 8.3-19.0

Pr₂O₃ - 24.7-33.4

TiO₂ - остальное.

Предлагаемый материал получают по следующей технологии. Исходные компоненты, взятые в необходимых соотношениях тщательно перемешиваются алундовыми или циркониевыми мелющими телами в дистиллированной воде в течении 20-24 часов. Высушенную смесь протирают через капроновое сито и синтезируют при температуре 1150-1200°С в течении 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 1280-1330°С в течении 2-4 часов. Примеры получения керамического материала, их состав и свойства приведены в таблице 1.

Таблица №1 Пример № Химический состав, вес. % Диэлектрические свойства материала (f=4 ГГц) ε' tgδ_ε ТКЧ, 1/°C 1 ВаО - 13,2 107,8 3,8×10^-4 -10×10^-6   PbO - 6,7         Bi₂O₃ - 8,3         Pr₂O₃ - 33,4         TiO₂ - 38,4       2 ВаО - 16,7 130,5 5×10^-4 +8,9×10^-6   PbO - 2,6         Bi₂O₃ - 19,0         Pr₂O₃ - 24,7         TiO₂ - 37,0       3 ВаО - 14,8 123 4,2×10^-4 +9,8×10^-6   PbO - 5,0         Bi₂O₃ - 13,9         Pr₂O₃ - 29,2         TiO₂ - 37,l       4 ВаО - 16,5 100 3×10^-4 -6×10^-6   PbO - 2,7         Bi₂O₃ - 10,4         Pr₂O₃ - 31,7         TiO₂ - 38,7       5 ВаО - 16,8 96 2,9×10^-4 -20×10^-6   PbO - 2,5         Bi₂O₃ - 10,2      

  Pr₂O₃ - 32,0         TiO₂ - 38,5       6 BaO - 13,1 115 5×10^-4 -40×10^-6   PbO - 6,8         Bi₂O₃ - 8,5         Pr₂O₃ - 33,2         TiO₂ - 38,4       7 BaO - 15,8 134 4×10^-4 +37×10^-6   PbO - 3,7         Bi₂O₃ - 8,2         Pr₂O₃ - 33,5         TiO₂ - 38,8       8 BaO - 15,0 120 1,6×10^-3 +23×10^-6   PbO - 4,5         Bi₂O₃ - 19,1         Pr₂O₃ - 24,6         TiO₂ - 37,8      

В примерах №1, 2, 3, 4 даны химические составы в пределах заявленных процентных соотношениях и соответствующие им диэлектрические свойства. Из этих примеров видно, что имеется значительное улучшение ТКЧ при высоком значении ε'=100-130, и низком значении диэлектрических потерь.

Пример №5. Снижение содержания PbO и увеличение содержания ВаО по сравнению с заявленными пределами приводит к снижению диэлектрической проницаемости ε'=96 и увеличению ТКЧ до -20×10^-6.

Пример №6. Увеличение содержания РbО и снижение ВаО по сравнению с заявленными пределами способствует росту диэлектрической проницаемости в заявленных пределах, но при этом значительно возрастает абсолютное значение ТКЧ.

Пример №7. Снижение содержания Bi₂O₃ и увеличения Pr₂O₃ приводит к увеличению диэлектрической проницаемости со значительным увеличением ТКЧ.

Пример №8. Увеличение содержания Bi₂O₃ и снижение Pr₂O₃ приводит к росту диэлектрических потерь и ТКЧ.

Предлагаемое изобретение было создано в процессе выполнения тематического плана предприятия «Разработка термостабильных керамических материалов с повышенными значениями диэлектрической проницаемости 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 дополнительно содержит оксид празеодима при следующем соотношении компонентов, вес %: ВаО - 13.2-16.7, PbO - 2.6-6.7, Bi₂O₃ - 8.3-19.0, Pr₂O₃ - 24.7-33.4, TiO₂ - остальное. Технический результат изобретения - получение термостабильного керамического материала, температурный коэффициент частоты которого изменяется не более чем от минус 10×10^-6 до +10×10^-6 1/град с малыми диэлектрическими потерями tgδ_ε≤5×10^-4 при сохранении величины диэлектрической проницаемости ε'=100-130. Предлагаемый материал позволяет создавать малогабаритные объемные керамические резонаторы и фильтры, тем самым расширяя номенклатуру современных селективных устройств, и способствует дальнейшей миниатюризации устройств мобильной связи. 1 табл.

Керамический материал, содержащий оксиды бария, свинца, висмута и титана, отличающийся тем, что он содержит оксид празеодима при следующем соотношении компонентов, вес.%:
ВаО 13,2-16,7 PbO 2,6-6,7 Bi₂O₃ 8,3-19,0 Pr₂O₃ 24,7-33,4 TiO₂ остальное