КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
CERAMIC MATERIAL

ε
ε
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 или добротность - Q=1/tgδ, 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.
0,4
0,4
3
0,5
0,5
3
ε
-6
-1
-4
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 Sm TiO-Li-Nd-TiO, однако с увеличением ε'>98, ТКЧ имеет большую отрицательную величину, - 80·10 град, при высоком значении диэлектрических потерь tgδ=6.7×10.
2
3
2
3
2
ε
-3
-6
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-NdO-BiO-TiO. Однако к его недостаткам относятся высокие диэлектрические потери tgδ=1.8×10 и большое значение температурного коэффициента частоты ТКЧ=+43,8·10.
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
2
3
NdO - 27.4-35.9
2
3
BiO - 6.6-16.4
3
PbTiO - 3.5-8.9
2
TiO - остальное
ε
ε
-4
-6
-1
Его диэлектрические параметры измерены на частоте f=1 МГц: ε'=95-122; tgδ=2-3×10; ТК=(+47÷3-3)·10 град.
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.
-6
-1
-4
ε
Целью данного изобретения является получение термостабильного керамического материала с ТКЧ=0±10×10 град с малыми диэлектрическими потерями tgδ=5×10 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
2
BiO - 8.3-19.0
2
3
PrO - 24.7-33.4
2
TiO- остальное.
2
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/см 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<sub>ε</sub>
ТКЧ, 1/°C
1
ВаО - 13,2
107,8
3,8×10<sup>-4</sup>
-10×10<sup>-6</sup>
PbO - 6,7
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 8,3
Pr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 33,4
TiO<sub>2 </sub>- 38,4
2
ВаО - 16,7
130,5
5×10<sup>-4</sup>
+8,9×10<sup>-6</sup>
PbO - 2,6
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 19,0
Pr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 24,7
TiO<sub>2</sub> - 37,0
3
ВаО - 14,8
123
4,2×10<sup>-4</sup>
+9,8×10<sup>-6</sup>
PbO - 5,0
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 13,9
Pr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 29,2
TiO<sub>2</sub> - 37,l
4
ВаО - 16,5
100
3×10<sup>-4</sup>
-6×10<sup>-6</sup>
PbO - 2,7
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 10,4
Pr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 31,7
TiO<sub>2</sub> - 38,7
5
ВаО - 16,8
96
2,9×10<sup>-4</sup>
-20×10<sup>-6</sup>
PbO - 2,5
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 10,2
Pr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 32,0
TiO<sub>2</sub> - 38,5
6
BaO - 13,1
115
5×10<sup>-4</sup>
-40×10<sup>-6</sup>
PbO - 6,8
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 8,5
Pr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 33,2
TiO<sub>2</sub> - 38,4
7
BaO - 15,8
134
4×10<sup>-4</sup>
+37×10<sup>-6</sup>
PbO - 3,7
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 8,2
Pr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 33,5
TiO<sub>2</sub> - 38,8
8
BaO - 15,0
120
1,6×10<sup>-3</sup>
+23×10<sup>-6</sup>
PbO - 4,5
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 19,1
Pr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 24,6
TiO<sub>2</sub> - 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.
-6
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.
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.
2
3
2
3
Пример №7. Снижение содержания BiO и увеличения PrO приводит к увеличению диэлектрической проницаемости со значительным увеличением ТКЧ.
2
3
2
3
Пример №8. Увеличение содержания BiO и снижение PrO 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.