Керамічний мікрохвильовий діелектричний матеріал на основі ніобату-танталату аргентуму

Реферат: Керамічний мікрохвильовий діелектричний матеріал на основі твердих розчинів ніобатутанталату аргентуму Ag(Nb1-xTax)O3 (ANT) (0.50  x  0.35) включає Ag2O, Nb2O5 і Та2O5. Для зниження температури спікання і запобігання термічному розкладу ANT, додатково містить 11,5 мас. % легкоплавкої домішки борату цинку ZnB2O4. UA 113547 U (12) UA 113547 U UA 113547 U 5 Корисна модель належить до розробки нових керамічних мікрохвильових діелектриків і може бути використаний при виготовленні резонансних елементів фільтруючих та генеруючих пристроїв, для телекомунікаційних, радіонавігаційних та радіолокаційних систем зв'язку дециметрового діапазону. Такі діелектрики характеризуються в мікрохвильовому діапазоні високими значеннями діелектричної проникності ( ) , високими значеннями добротності (Q  f ) та термостабільності (ТК ) електрофізичних властивостей. Використання діелектриків з   1 при розробці елементної бази фільтруючих пристроїв дозволить зменшити розміри компонентів апаратури 10 15 зв'язку в  разів [1], підвищити її надійність, знизити виробничі і експлуатаційні витрати. Тому важливою задачею є розробка діелектричних матеріалів, які б одночасно демонстрували в дециметровому діапазоні високі значення діелектричної проникності, електричної добротності, високу термостабільність властивостей. Серед відомих мікрохвильових діелектриків матеріали на основі барій-лантаноїдних титанатів Ва6-xLn8+2x/3Ti18O54, де Ln-рідкісноземельні елементи від La до Gd (аналог) [2, 3], характеризуються електричною добротністю (Q  f ~ 1000) , високою термостабільністю електрофізичних властивостей (ТК  ~ 100  10 6 K 1 ) . Недоліком таких мікрохвильових матеріалів, при використанні в дециметровому діапазоні, є відносно невисоке значення діелектричної проникності ( ~ 80  100) . Враховуючи, що довжина хвилі в діелектрику зменшується на 20 25 30 35 40 45  , то лінійні розміри резонансних елементів зменшуються порівняно з повітряними лініями тільки в 80  100 ~ 9  10 раз. Це не завжди дозволяє ефективно вирішувати питання мікромініатюризації елементів зв'язку. Найбільш близьким по технічній суті і досягнутим результатам до корисної моделі, яка заявляється, є мікрохвильовий діелектричний матеріал на основі сегнетоелектричних твердих розчинів ніобату-танталату аргентуму Ag(Nb1-xTax)O3 (ANT) при 0.50  x  0.35 (прототип) [4]. Завдяки відсутності діелектричної дисперсії до інфрачервоного діапазону ANT демонструють високу електричну добротність в дециметровому діапазоні (Q  f ~ 400  500 на 2 ГГц), що одночасно із високими значеннями діелектричної проникності (  400  500) створює унікальну комбінацію функціональних параметрів [5]. Головним недоліком таких матеріалів є необхідність використання при спіканні атмосфери з високим парціальним тиском кисню для запобігання термічному розкладу Ag(Nb1-xTax)O3 з виділенням металічного срібла, присутність якого в матеріалі призводить до підвищення рівня діелектричних втрат. Це, в свою чергу, вимагає використання дорогого та складного обладнання, що не дозволяє впроваджувати дані матеріали у виробництво [4-6]. В основу корисної моделі поставлено задачу отримання в атмосфері повітря при атмосферному тиску керамічних матеріалів на основі твердих розчинів Ag(Nb1-xTax)O3 (0.50  x  0.35) при значно нижчих температурах, що зможе запобігти термічному розкладу цих твердих розчинів з утворенням металічного срібла, а також значно зменшити затрати на його виробництво. Поставлена задача вирішується за рахунок введення в склад матеріалу легкоплавкої домішки ZnB2O4. При додаванні до складу кераміки на основі твердих розчинів Ag(Nb1-xTax)O3 (0.50  x  0.35) 1-1.5 масового відсотка легкоплавкої домішки борату цинку (ZnB2O4 з ТПЛ.=960 °C [7]), температура спікання знижується на 100-200 °C (таблиця). При цьому утворюється щільна кераміка, що не містить продуктів термічного розкладу ANT (Ag2(Nb, Ta)4O11, Ag2(Nb, Ta)8O21 та Ag8(Nb, Ta)26O69). Діелектрики на основі твердих розчинів Ag(Nb1(0.50  x  0.35) з 1-1.5 мас. % легкоплавкої домішки борату цинку ZnB2O4 xTax)O3 характеризуються (таблиця) високими значеннями діелектричної проникності (  414  418) , електричної добротності (Q  f  190  205) та високою термостабільністю параметрів (ТК  ~ 170  10 6 K 1 ) . Використання таких матеріалів для виготовлення резонансних 50 мікрохвильових елементів апаратури зв'язку дециметрового діапазону дозволяє в 500 ~ 22 рази зменшити їх лінійні розміри, а також не вимагає використання складного і дорогого обладнання для їх одержання. 1 UA 113547 U 5 10 15 Керамічні мікрохвильові діелектрики на основі твердих розчинів ніобату-танталату аргентуму Ag(Nb1-xTax)O3 (0.50  x  0.35) з домішкою борату цинку ZnB2O4 одержували методом твердофазних реакцій, де як основні вихідні реагенти використовували Nb2O5, Ta2O5 та Ag2O. Легкоплавку домішку борату цинку ZnB2O4, синтезували окремо, використовуючи ZnO та В2О3 кваліфікації "ос. ч.", і додавали її до основної фази у кількості 0.5-5 мас. %. Рентгенофазовий аналіз проводили за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН3УМ (СuКα -випромінювання; Ni фільтр). Мікроструктуру кераміки досліджували за допомогою скануючого електронного мікроскопа (JSM 5800, JEOL, Tokyo, Japan), обладнаного детектором EDS. Вимірювання електрофізичних характеристик кераміки одержаних діелектриків на основі ANT (діелектричної проникності є та електричної добротності Q  f ) проводили методом "діелектричного резонатора". В таблиці наведено порівняльні електрофізичні характеристики керамічних мікрохвильових діелектричних матеріалів на основі твердих розчинів ніобату-танталату аргентуму Ag(Nb1xTax)O3. Як видно із даних таблиці спечені на повітрі ANT в концентраційному інтервалі (0.50  x  0.35) з 1-1.5 мас. % легкоплавкої домішки, що заявляються, демонструють високу діелектричну проникність (  414  418) в поєднанні з високими значеннями електричної 20 добротності (Q  f  190  205) та термостабільності параметрів (ТК  ~ 170  10 6 K 1 ) (таблиця). У випадку введення легкоплавкої домішки в кількості менше 1 мас % суттєвого зниження температури спікання не спостерігалося (таблиця). При збільшенні кількості домішки до 2-5 мас. % спостерігається деяке зменшення діелектричної проникності та помітне збільшення діелектричних втрат. Це, вочевидь, пов'язане з присутністю в матеріалі металічного срібла, що не тільки вносить додатковий вклад у діелектричні втрати матеріалу, але і знижує його питомий опір, що в свою чергу робить такі діелектрики не придатними для використання при виготовленій резонансних елементів для систем зв'язку дециметрового діапазону. 25 Таблиця Електрофізичні властивості керамічних мікрохвильових діелектриків на основі ніобату-танталату аргентуму Ag(Nb1-xTax)O3 (0.50  x  0.35) Густина № ТСПІК., °C 3 ρ, г/см 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 30 1220 1250 1150 1175 1170 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1075 1075 1075 1100 7.7 5.1 5.8 5.9 5.7 7.0 7.1 7.2 7.1 7.0 7.1 6.8 6.9 6.8 6.7 6.7 6.8 6.9 Хімічний склад, мас. % Ag2O Nb2O5 Та2О5 ZnO В2О3 39.57 41.44 41.24 39.98 39.38 41.03 39.78 39.18 40.82 39.57 38.98 40.61 39.37 38.78 38.97 38.39 38.17 37.59 22.70 30.90 30.74 25.22 22.58 30.59 25.09 22.47 30.44 24.97 22.36 30.28 24.84 22.24 24.59 22.02 24.08 21.56 37.73 27.66 27.52 34.3 37.54 27.38 34.13 37.35 27.24 33.96 37.16 27.11 33.79 36.98 33.44 36.6 32.75 35.84 0 0 0.23 0.23 0.23 0.46 0.46 0.46 0.69 0.69 0.69 0.92 0.92 0.92 1.38 1.38 2.31 2.31 0 0 0.27 0.27 0.27 0.54 0.54 0.54 0.81 0.81 0.81 1.08 1.08 1.08 1.62 1.62 2.69 2.69 Електрофізичні властивості на 2 ГГц -6 TKε, 10 K ε Qf 1 415 400-500 ----------------414 200 415 190 418 205 417 200 415 205 416 195 401 150 401 160 407 165 398 120 398 120 391 115 390 110 160 --------170 165 168 172 175 168 180 181 181 184 182 182 183 Примітка Прототип [4-6]  .tg нe визначено через низький питомий опір В таблиці виділені рядки, що відповідають заявленому матеріалу Джерела інформації: 1. Диэлектрические резонаторы в микроэлектронике СВЧ/ Безбородое Ю.М., Гассанов Л.Г., Липатов А.А. и др. - Обзор ЭТ. Сер. Электроника СВЧ. вып.4(786). М.: ЦНИИ "Электропика". 1981, с. 82. 2 UA 113547 U 5 10 15 2. Т. Negas, P.К. Davies, Influence of Chemistry and Processing on the Electrical Properties of Ва6-3xLn8+2xTi18O54, Solid Solutions, Materials and Processes for Wireless Communications // Ceram. Trans. - 1995,-53, p. 179-196. 3. H. Ohsato, S. Nishigaki, T. Okuda. Superlattice and Dielectric Properties of BaO-R2O3-5TiO2 (R=La, Nd, and Sm) Microwave Dielectric Compounds // Jpn.J. Appl.Phys. - 1992, - V. 31. p. 31363140. 4. Valant M., Suvorov D., Meden A., New High-Permittivity AgNb|-vTaA03 Microwave Ceramics: Part I, Crystal Structures and Phase-Decomposition Relations // J. Am. Ceram. Soc. 1999. V. 82 № 1. P. 81-87. 5. Valant M., Suvorov D., Meden A., New High-Permittivity AgNb1-xTaxO3 Microwave Ceramics: Part II, Dielectric Characteristics // J. Am. Ceram. Soc. 1999. V. 82 № 1. P. 88-93. 6. Valant, M., Suvorov, D., Hoffmann, С and Sommariva, H., Ag(Nb, Ta)O3-based ceramics with suppressed temperature dependence of permittivity. // J. Eur. Ceram. Soc, 2001, 21(15). P. 26472651 7. Harrison D E., Lamellar glass-crystal structures in the system ZnO-B2O3 // Journal of Crystal Growth, 1968, № 3-4. P. 674-678. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 Керамічний мікрохвильовий діелектричний матеріал на основі твердих розчинів ніобатутанталату аргентуму Ag(Nb1-xTax)O3 (ANT) (0.50  x  0.35) , що включає Ag2O, Nb2O5 і Та2O5, який відрізняється тим, що для зниження температури спікання і запобігання термічному розкладу ANT, додатково містить 1-1,5 мас. % легкоплавкої домішки борату цинку ZnB2O4, при такому співвідношенні основних компонентів (мас. %): Ag2O 38,98-41,03 Nb2O5 22,36-30,59 Та2О5 27,24-37,35 ZnO 0,46-0,69 В2О3 0,54-0,81. 25 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3