本發(fā)明屬于功能陶瓷，更具體地，涉及一種超低介電常數(shù)硅基介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著第五代移動通信技術(shù)(5g)和第六代移動通信技術(shù)(6g)的快速發(fā)展，高頻段(如毫米波)和大帶寬的廣泛應(yīng)用對通信器件的核心材料提出了更高要求。介質(zhì)陶瓷材料作為高頻基板、濾波器、天線等器件的關(guān)鍵組成部分，其介電常數(shù)直接影響信號傳輸?shù)难舆t、損耗及集成度。為實(shí)現(xiàn)高速率、低延遲的5g通信，介質(zhì)陶瓷需同時滿足超低介電常數(shù)(介電常數(shù)<5，優(yōu)選介電常數(shù)<3.5)、低損耗(<0.001)、高熱穩(wěn)定性(諧振頻率溫度系數(shù)近零)。然而，傳統(tǒng)硅基陶瓷材料(如二氧化硅基陶瓷)雖具有低介電特性，但其介電常數(shù)往往大于4，諧振頻率溫度系數(shù)小于-10ppm/℃，難以滿足高頻器件的可靠性需求。

2、為降低介電常數(shù)，現(xiàn)有技術(shù)常通過引入多孔或中空結(jié)構(gòu)以降低材料極化率。提出采用造孔劑法制備多孔陶瓷，但其孔隙分布不均勻，且高溫?zé)Y(jié)過程中孔結(jié)構(gòu)易坍塌，導(dǎo)致介電常數(shù)回升。并且容易形成貫通孔，易導(dǎo)致水汽進(jìn)入孔隙，影響器件的工作性能，與銀電極共燒過程中由于孔洞的影響會導(dǎo)致銀離子出現(xiàn)滲漏和擴(kuò)散，且無法采用流延工藝制備5g用的濾波器等器件。純中空sio2燒結(jié)過程中極易出現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)坍塌，晶粒尺寸大幅度生長。然而，現(xiàn)有技術(shù)中尚未有效解決高溫?zé)Y(jié)過程中中空結(jié)構(gòu)的保留與致密化的矛盾。

3、隨著5g進(jìn)一步普及和高頻發(fā)展，傳統(tǒng)采用銀作為電極增加其器件制造的成本，比如在制造ltcc高頻濾波器中，理論上其電容部分可以采用具有高抗還原性的材料進(jìn)行制備，采用鎳等賤金屬作為電極可以極大降低成本，但是在共燒匹配的過程中對制備電感的低介電常數(shù)材料的抗還原性同樣提出了要求。針對與10～30nm微粒如何均勻包覆50～100nm的基體陶瓷顆粒，納米粉體在空氣和液體中，由于范德華力、靜電力和液橋力等相互作用力極易團(tuán)聚，粒徑越小、團(tuán)聚情況越劇烈。有研究者提出采用化學(xué)包覆的方法，可以使納米粒子均勻包覆于基體表面，但其在大規(guī)模生產(chǎn)中較為困難且成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種超低介電常數(shù)硅基介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法與應(yīng)用，其目的在于制備得到以中空非晶態(tài)sio2核層，以所述摻雜材料為殼層的核殼結(jié)構(gòu)的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料，由此解決現(xiàn)有技術(shù)中中空sio2燒結(jié)過程中中空結(jié)構(gòu)容易坍塌，導(dǎo)致介電常數(shù)增大及熱穩(wěn)定性降低的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面提供一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料，包括主體材料和摻雜材料；所述主體材料為中空非晶態(tài)sio2，所述摻雜材料包括mgo、caco3和y2o3；所述陶瓷材料為以所述中空非晶態(tài)sio2核層，以所述摻雜材料為殼層的核殼結(jié)構(gòu)。所述的介電常數(shù)改善是針對傳統(tǒng)硅基陶瓷材料，如二氧化硅基陶瓷，其介電常數(shù)往往大于4。

3、優(yōu)選地，所述mgo、caco3、y2o3以及所述中空非晶態(tài)sio2的摩爾百分?jǐn)?shù)為(0～2.2％):(0～2.2％):(0～2.2％)：(93.4％～97.8％)，且所述mgo、caco3以及y2o3的摩爾百分?jǐn)?shù)取值不同時為0。

4、優(yōu)選地，所述中空非晶態(tài)sio2的粒徑為50～100nm，壁厚6～16nm；所述mgo、caco3以及y2o3的粒徑分別獨(dú)立地選自10～30nm。

5、按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種所述的介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：

6、(1)將主體材料和摻雜材料混合，再加入去離子水和分散劑，然后依次進(jìn)行超聲、球磨、烘干，得到陶瓷粉末；所述主體材料為中空非晶態(tài)sio2，所述摻雜材料包括mgo、caco3、y2o3中的一種或多種；(2)將所述陶瓷粉末和粘結(jié)劑混合，然后依次進(jìn)行造粒、過篩、壓制成型，得到陶瓷壞體；將所述陶瓷壞體先進(jìn)行排膠，再進(jìn)行燒結(jié)，得到所述中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料。

7、優(yōu)選地，所述mgo、caco3、y2o3以及所述中空非晶態(tài)sio2的摩爾百分?jǐn)?shù)為(0～2.2％)：(0～2.2％)：(0～2.2％)：(93.4％～97.8％)，且所述mgo、caco3以及y2o3的摩爾百分?jǐn)?shù)取值不同時為0。

8、優(yōu)選地，所述去離子水和分散劑的體積比為(8～15)：1，優(yōu)選為(10～12)：1；所述中空非晶態(tài)sio2與去離子水的質(zhì)量比為1：(1～3)。

9、優(yōu)選地，所述分散劑選自聚合磷酸酯。

10、優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇或聚乙烯醇縮丁醛；所述粘結(jié)劑的質(zhì)量為所述陶瓷粉末質(zhì)量的5％～40％。

11、優(yōu)選地，所述排膠的溫度為500～600℃，所述排膠的保溫時間為3-6h。

12、優(yōu)選地，所述燒結(jié)是先升溫至800～900℃后保溫0.5～2h，再升溫至950℃～1100℃，保溫1～3h，后緩慢降溫至室溫。

13、按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的應(yīng)用，將其用作第五代移動通信技術(shù)或第六代移動通信技術(shù)射頻領(lǐng)域中基板、濾波器或天線的制備。

14、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

15、(1)本發(fā)明提供的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料，以非晶態(tài)的中空sio2基粉體為基體，以mgo、caco3和y2o3為摻雜材料，所述陶瓷材料為以所述中空非晶態(tài)sio2核層，以所述摻雜材料為殼層的核殼結(jié)構(gòu)，在燒結(jié)過程中，能起到骨架支撐作用，減少坍塌中空結(jié)構(gòu)的坍塌，同時能夠抑制晶粒長大，保留中空結(jié)構(gòu)，從而降低中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的介電常數(shù)，提高溫度穩(wěn)定性，同時摻雜材料的加入能夠提高陶瓷材料抗還原性?？惯€原的提高意味著其制造器件時，可采用鎳、銅等賤金屬電極，大幅度降低由該材料制備器件的成本。

16、(2)本發(fā)明通過限定中空非晶態(tài)sio2、mgo、caco3以及y2o3各成分的用量以調(diào)控中空非晶態(tài)sio2的固含量；通過調(diào)控分散劑以及粘結(jié)劑的添加量，以調(diào)節(jié)其收縮曲線，保持中空sio2的中空結(jié)構(gòu)、降低介電常數(shù)和結(jié)晶化溫度和提高溫度穩(wěn)定性。

17、(3)本發(fā)明采用超聲法和添加分散劑球磨法結(jié)合，使得摻雜劑均勻包覆于中空sio2基體表面，從而能形成均勻的核殼結(jié)構(gòu)，相比化學(xué)包覆法，該方法工藝簡單，利于大規(guī)模生產(chǎn)，成本低。

18、(4)本發(fā)明提供一種超低介電常數(shù)硅基介質(zhì)陶瓷材料的介電常數(shù)低，在頻段25ghz以上可達(dá)到2～3.5；介電損耗低，高頻段小于0.0001；本發(fā)明所述的材料在20℃～100℃，諧振頻率溫度系數(shù)近零，溫度穩(wěn)定性滿足高頻器件的要求，同時具有良好的抗還原性。本發(fā)明所述的中空sio2基體材料不含鉛，對環(huán)境友好；制備工藝簡單，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于，包括主體材料和摻雜材料；所述主體材料為中空非晶態(tài)sio2，所述摻雜材料包括mgo、caco3、y2o3中的一種或多種；所述陶瓷材料以所述主體材料為核層，以所述摻雜材料為殼層的核殼結(jié)構(gòu)。

2.如權(quán)利要求1所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于，所述mgo、caco3、y2o3以及所述中空非晶態(tài)sio2的摩爾百分?jǐn)?shù)為(0～2.2％)：(0～2.2％)：(0～2.2％)：(93.4％～97.8％)，且所述mgo、caco3以及y2o3的摩爾百分?jǐn)?shù)取值不同時為0。

3.如權(quán)利要求1所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于，所述中空非晶態(tài)sio2的粒徑為50～100nm，壁厚為6～16nm；所述mgo、caco3以及y2o3的粒徑分別獨(dú)立地選自10～30nm。

4.如權(quán)利要求1～3任意一項(xiàng)所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.如權(quán)利要求4所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述mgo、caco3、y2o3以及所述中空非晶態(tài)sio2的摩爾百分?jǐn)?shù)為(0～2.2％)：(0～2.2％)：(0～2.2％)：(93.4％～97.8％)，且所述mgo、caco3以及y2o3的摩爾百分?jǐn)?shù)取值不同時為0。

6.如權(quán)利要求4所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述去離子水和分散劑的體積比為(8～15)：1，優(yōu)選為(10～12):1；所述中空非晶態(tài)sio2與去離子水的質(zhì)量比為1：(1～3)；所述分散劑選自聚合磷酸酯。

7.如權(quán)利要求4所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇或聚乙烯醇縮丁醛；所述粘結(jié)劑的質(zhì)量為所述陶瓷粉末質(zhì)量的5％～40％。

8.如權(quán)利要求4所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述排膠的溫度為500～600℃，所述排膠的保溫時間為3-6h。

9.如權(quán)利要求4所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)是先升溫至800～900℃后保溫0.5～2h，再升溫至950℃～1100℃，保溫1～3h，后降溫至室溫。

10.根據(jù)權(quán)利要求1～3任意一項(xiàng)所述的一種介電常數(shù)改善的中空sio2基介質(zhì)陶瓷材料的應(yīng)用，其特征在于，將其用作第五代移動通信技術(shù)或第六代移動通信技術(shù)射頻領(lǐng)域中的基板、濾波器或天線的制備。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于功能陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超低介電常數(shù)硅基介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法與應(yīng)用。所述陶瓷材料包括主體材料和摻雜材料；所述主體材料為中空非晶態(tài)SiO<subgt;2</subgt;，所述摻雜材料包括MgO、CaCO<subgt;3</subgt;、Y<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;中的一種或多種；所述陶瓷材料為以所述中空非晶態(tài)SiO<subgt;2</subgt;核層，以所述摻雜材料為殼層的核殼結(jié)構(gòu)。將中空非晶態(tài)SiO<subgt;2</subgt;、MgO、CaCO<subgt;3</subgt;和Y<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;混合，再加入去離子水和分散劑，然后依次進(jìn)行超聲、球磨、烘干，得到陶瓷粉末；將所述陶瓷粉末和粘結(jié)劑混合，然后依次進(jìn)行造粒、過篩、壓制成型、排膠、燒結(jié)，得到所述中空SiO<subgt;2</subgt;基介質(zhì)陶瓷材料，解決中空SiO<subgt;2</subgt;燒結(jié)過程中中空結(jié)構(gòu)容易坍塌，導(dǎo)致介電常數(shù)增大及熱穩(wěn)定性降低的技術(shù)問題。

技術(shù)研發(fā)人員：呂文中,劉耀東,雷文,楊佳慶,成名飛,張貴新
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/6/30