Керамический материал

Изобретение относится к материалам микроволновой техники, которые могут быть использованы при производстве термостабильных керамических резонаторов, фильтров, антенных подложек и прочих электронных СВЧ компонентов. К характеристикам этих материалов предъявляются высокие требования: фиксированное значение диэлектрической проницаемости -ε' в зависимости от частоты применения; низкие диэлектрические потери - tgδ_ε или добротность - Q=1/tgδ_ε и минимальный температурный коэффициент частоты - ТКЧ (ТКЧ~-1/ТКε). Для важнейшего частотного диапазона беспроводной мобильной и спутниковой связи (0,7-13,8 ГГц) дальнейшая миниатюризация микроволновых систем может быть достигнута при использовании термостабильной керамики с ε'~19-21 и малыми диэлектрическими потерями tgδ_ε<3⋅10^-4.

Известна керамика с необходимым значением диэлектрической проницаемости и малыми диэлектрическими потерями в составе твердых растворов MgTiO₃-CaTiO₃ [Каталог АО «НИИ «Феррит-Домен»]. Например, марка 20МСТ характеризуется следующими параметрами: ε'=20±1; tgδ_ε=2⋅10^-4; τ_f=(0±20)⋅10^-6 1/град. Однако этот материал имеет высокое значение температурного коэффициента. Другой материал состава Ba(Mg_1/3Ta_1/3)O₃ описан в [Japanese Joumal of Applied Physics V. 21; №10(1982 г)] имеет следующие параметры: ε'=25; tgδ_ε=6⋅10^-4(f=10 ГГц) и τ_f=+21/град. На основании этих исследований разработана марка КТ-24 [Каталог АО «НИИ «Феррит-Домен»], которая имеет оптимальное сочетание основных параметров: малые диэлектрические потери - tgδ_ε=2⋅10^-4 и ТКЧ=(0±10)⋅10^-6 1/град. Однако диэлектрическая проницаемость данной марки имеет более высокое (ε'=24-25) значение. В предлагаемом изобретении ставится задача получения материала с ε'=20±1.

Известен термостабильный материал [патент №7754634, США, 2010 г.], содержащий оксиды кальция, алюминия, титана и редкоземельные окислы самария или неодима, синтез которого проходит при очень высокой температуре Т≥1500 град. Приведены, его диэлектрические параметры: δ'18÷25, τ_f=(0±10)⋅10^-6 1/град и tgδ_ε≤2⋅10^-4 на частоте 10 ГГц. К недостаткам этого материала можно отнести большие энергозатраты и высокую (в 3-4 раза) стоимость оксидов Nd₂O₃ и Sm₂O₃ по сравнению с Cd₂O₃.Этот патент является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения по совокупности существенных признаков и достигаемому результату и взят нами за прототип.

Технический результат данного изобретения заключается в получении термостабильного керамического материала с ТКЧ=(0±6)⋅10^-6 град^-1 с малыми диэлектрическими потерями tgδ_ε≤2,5⋅10^-4 при сохранении величины диэлектрической проницаемости ε'=20±1.

Для достижения технического результата предлагается керамический материал, который отличается тем, что в исходных компонентах содержится оксид гадолиния, а также иным соотношением оксидов, что обеспечивает получение термостабильного керамического материала с малыми потерями при сохранении диэлектрической проницаемости на уровне 20±1, при следующем соотношении компонентов, вес %:

Оксид кальция (СаО) - 19,9÷25,0

Оксид гадолиния (Gd₂O₃) - 53,8÷62,0

Оксид алюминия (Al₂O₃) - 15,2÷17,4

Оксид титана (TiO₂) - остальное.

Предлагаемый керамический материал получают по следующей технологии. Исходные компоненты, взятые в необходимых соотношениях, тщательно перемешивают алундовыми мелющими телами в дистиллированной воде в течение 20-24 часов. Высушенную смесь протирают через капроновое сито и синтезируют при температуре 1200-1250 град в течение 4-6 часов на воздухе. Измельчение шихты проводят по режиму, аналогичному первому помолу. Изделия прессуют при удельном давлении 1 т/см² из пресс-порошка, используя в качестве связующего 1,5% раствор метилцеллюлозы, и обжигают при Т=1350-1380 град в течение 4 часов. Примеры получения керамического материала, их состав и свойства приведены в таблице 1.

В примерах №1, 2, 3, 4 даны химические составы керамики в пределах заявленных процентных соотношениях и соответствующие им диэлектрические свойства. Из примеров видно, что достигнуты планируемые технические результаты.

Пример №5. Увеличение содержания СаО и TiO₂ и уменьшение содержания Al₂O₃ и Gd₂O₃ по сравнению с заявленными пределами приводит к увеличению ТКЧ и наблюдается тенденция увеличения диэлектрической проницаемости.

Пример №6. Уменьшение содержания СаО и TiO₂ и увеличение содержания Al₂O3 и Gd₂O₃ по сравнению с заявленными пределами приводит к снижению диэлектрической проницаемости и росту диэлектрических потерь.

Предлагаемое изобретение было создано в процессе выполнения тематического плана предприятия «Разработка керамического материала с улучшенной термостабильностью с диэлектрической проницаемостью ε'=20±1 для серийного выпуска керамических фильтров». Создание нового материала расширит номенклатуру современных селективных устройств для перспективной радиоэлектронной аппаратуры.