LTCC环形器用低矫顽力YIG基板材料及其制备方法

ltcc环形器用低矫顽力yig基板材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于电子陶瓷技术领域，具体涉及一种ltcc环形器用低矫顽力yig基板材料及其制备方法。


背景技术：

2.由于yig铁氧体材料具有较低的矫顽力和铁磁共振线宽、较高的饱和磁化强度、较好的温度稳定性等特点，被广泛用于微波环形器基板材料的制作。近年来，微波铁氧体器件逐渐向着轻质量、高集成的方向发展，而实现这一发展方向的重要手段就是利用低温共烧陶瓷技术(ltcc)，这对yig材料的烧结温度有所要求(≤930℃)。yig铁氧体材料作为x波段环形器的关键基板材料，如何在低温制得并兼具良好的旋磁性能(低矫顽力、高饱和磁化强度、低铁磁共振线宽、高居里温度)，这是亟待解决的问题。
3.目前，关于yig材料的低温烧结和旋磁性能的研究主要集中在离子取代上。申请号为202110324952.9的发明专利公开了一种低温烧结yig旋磁铁氧体材料的制备方法，该方法引入bi
3+
、v
5+
、zn
2+
三种离子，在930℃制得单一石榴石相，材料性能如下：饱和磁化强度1485～1625gs，铁磁共振线宽389oe～607oe，矫顽力17～18oe，该方法制得的材料线宽和矫顽力较高，且未涉及居里温度的报道。“r.fu,y.x.li et al.high dielectric constant yig ferrites with low sintering temperature[j].journal of materials science-materials in electronics,2022,5:4914-4923.”文章利用bi
3+
离子和ca
2+
离子取代十二面体c位(24c)y
3+
离子，利用sn
4+
离子和zr
4+
离子取代八面体位(16a)的fe
3+
离子，该研究使得yig烧结温度降低至960℃，材料的性能如下：饱和磁化强度1756～1843gs，铁磁共振线宽190～230oe，该方法制得的材料烧结温度较高，且未涉及矫顽力和居里温度的报道。“cy tsay.low temperature sintering of microwave magnetic garnet materials[j].journal of magnetism and magnetic materials,2002,29(11):490-494.”文章利用ca
2+
离子取代十二面体c位(24c)，v
5+
离子取代四面体位(24d)，在1250℃制得yig材料，后面通过bi
3+
离子取代十二面体c位(24c)，将烧结温度降低至1020℃，材料的性能如下：饱和磁化强度1523gs，铁磁共振线宽110oe，该方法制得的材料烧结温度过高，且未涉及矫顽力和居里温度的报道。综上所述，为了适应ltcc技术的需求，改善yig材料的综合旋磁性能(低矫顽力、高饱和磁化强度、低铁磁共振线宽、高居里温度)还需要探究新的解决方案。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种ltcc环形器用低矫顽力yig基板材料及其制备方法。
[0005]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006]
一种ltcc环形器用低矫顽力yig基板材料，同时引入bi
3+
、li
+
、p
5+
离子取代yig中24c位的y
3+
离子、16a和24d位的fe
3+
离子，bi-li-p联合取代产生显著的晶格畸变，促使yig材料烧结温度大幅降低，同时，样品固相反应完全使得铁磁共振线宽中的固相反应致宽分
量降低；并在此基础上调节li
+
、p
5+
离子的取代量，在烧结过程中控制铁氧体晶粒生长和气孔排除，使样品获得致密的多重微结构，一方面有利于提升材料的体密度、降低气孔率，在获得高饱和磁化强度同时，减小铁磁共振线宽中的气孔致宽；另一方面，材料平均晶粒尺寸的增加有利于降低材料的矫顽力。所述yig基板材料的组分为：fe2o
3 44.39～45.75mol％，y2o
3 29.74～29.89mol％，bi2o
3 24.51～24.63mol％，p2o
5 0.2～0.71mol％，li2co30.1～0.37mol％。
[0007]
一种ltcc环形器用低矫顽力yig基板材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]
步骤1、预烧料制备：
[0009]
1.1以氧化铁(fe2o3)、氧化钇(y2o3)、三氧化二铋(bi2o3)、五氧化二磷(p2o5)、碳酸锂(li2co3)作为原料，按照“fe2o
3 44.39～45.75mol％，y2o
3 29.74～29.89mol％，bi2o
3 24.51～24.63mol％，p2o
5 0.2～0.71mol％，li2co
3 0.1～0.37mol％”的比例称取原料，并放入行星式球磨机球磨6～10h，得到一次球磨料；
[0010]
1.2将步骤1.1得到的一次球磨料烘干、过筛后，放入预烧炉在氧气氛围下进行预烧，预烧温度为800～850℃，时间为2.5～3.5h；
[0011]
步骤2、二次球磨：
[0012]
将步骤1得到的预烧料过筛后放入行星式球磨机进行二次球磨，球磨时间为10～12h，球磨完成后，经烘干、过筛，得到二磨粉料；
[0013]
步骤3、成型，烧结：
[0014]
3.1向步骤2得到的二磨粉料中加入相当于粉料质量8～12wt％的聚乙烯醇粘合剂进行造粒，然后用液压机压制成环形素胚样品；
[0015]
3.2将步骤3.1得到的素胚放入烧结炉进行烧结，以1～3℃/min的速率升温至880～920℃，保温2h,烧结完成后自然降温，得到所述yig基板材料。
[0016]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0017]
1、本发明通过bi-li-p联合取代活化晶格大幅降低烧结温度，同时，固相反应完全导致铁磁共振线宽中的固相反应致宽分量减小，有利于窄化线宽。
[0018]
2、本发明通过调节li
+
、p
5+
离子的取代量，控制烧结过程中铁氧体晶粒生长和气孔分布，在保障高饱和磁化强度同时，减小铁磁共振线宽中的气孔致宽；而较大的平均晶粒尺寸有利于矫顽力的减小。
[0019]
3、本发明制得的yig基板材料除了具有较低的烧结温度(≤920℃)外，还具有良好的旋磁性能:低的矫顽力(hc＜10oe)，高的饱和磁化强度(4πms＞1600gs)，低的铁磁共振线宽(δh＜260oe),高的居里温度(tc＞300℃)。制得的基板材料不仅满足ltcc工艺需求，同时具有环形器用基板材料所需的优良磁性能。
附图说明
[0020]
图1为对比例(a)和实施例1(b)制得yig样品的sem图；
[0021]
图2为实施例1制得yig样品的xrd谱图。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
[0023]
实施例1
[0024]
一种ltcc环形器用低矫顽力yig基板材料的制备方法，包括以下步骤：
[0025]
步骤1、预烧料制备：
[0026]
1.1以氧化铁(fe2o3)、氧化钇(y2o3)、三氧化二铋(bi2o3)、五氧化二磷(p2o5)、碳酸锂(li2co3)作为原料，按照“fe2o
3 45.07mol％，y2o
3 29.82mol％，bi2o324.57mol％，p2o
5 0.36mol％，li2co
3 0.18mol％”的比例称取原料，并放入行星式球磨机球磨8h，得到一次球磨料；
[0027]
1.2将步骤1.1得到的一次球磨料烘干、过筛后，放入预烧炉在氧气氛围下进行预烧，预烧温度为850℃，时间为3h；
[0028]
步骤2、二次球磨：
[0029]
将步骤1得到的预烧料过筛后放入行星式球磨机进行二次球磨，球磨时间为12h，球磨完成后，经烘干、过筛，得到二磨粉料；
[0030]
步骤3、成型，烧结：
[0031]
3.1向步骤2得到的二磨粉料中加入相当于粉料质量8～12wt％的聚乙烯醇粘合剂进行造粒，然后用液压机在10mpa的压力下压制成环形素胚样品；
[0032]
3.2将步骤3.1得到的素胚放入烧结炉进行烧结，以2℃/min的速率升温至900℃，保温2h,烧结完成后自然降温，得到所述yig基板材料。
[0033]
实施例1制得的环形器用基板材料性能为：矫顽力hc 8.79oe；饱和磁化强度4πms 1725gs；铁磁共振线宽δh 240oe；居里温度tc 320.1；密度ρ5.51g/cm3。
[0034]
实施例2
[0035]
本实施例与实施例1相比，区别在于：步骤1.1中按照“fe2o
3 44.90mol％，y2o
3 29.84mol％，bi2o
3 24.59mol％，p2o
5 0.45mol％，li2co
3 0.22mol％”的比例称取原料，其余步骤不变。
[0036]
实施例2制得的环形器用基板材料性能为：矫顽力hc 8.52oe；饱和磁化强度4πms 1663gs；铁磁共振线宽δh 245oe；居里温度tc 318.3；密度ρ5.46g/cm3。
[0037]
实施例3
[0038]
本实施例与实施例1相比，区别在于：步骤3.2中烧结温度调整为920℃，其余步骤不变。
[0039]
实施例3制得的环形器用基板材料性能为：矫顽力hc 8.63oe；饱和磁化强度4πms 1730gs；铁磁共振线宽δh 260oe；居里温度tc 320.2；密度ρ5.51g/cm3。
[0040]
对比例1
[0041]
本对比例与实施例1相比，区别在于：步骤1.1中按照“fe2o
3 45.75mol％，y2o
3 29.74mol％，bi2o
3 24.51mol％，p2o
5 0mol％，li2co
3 0mol％”的比例称取原料，其余步骤不变。
[0042]
对比例1制得的环形器用基板材料性能为：矫顽力hc 14.45oe；饱和磁化强度4πms 1500gs；铁磁共振线宽δh 936oe；居里温度tc 325.6；密度ρ5.22g/cm3。
[0043]
对比例2
[0044]
本对比例与实施例1相比，区别在于：步骤1.1中按照“fe2o
3 44.35mol％，y2o
3 29.71mol％，bi2o
3 24.65mol％，p2o
5 0.86mol％，li2co
3 0.43mol％”的比例称取原料，其余
步骤不变。
[0045]
对比例2制得的环形器用基板材料性能为：矫顽力hc 11.69oe；饱和磁化强度4πms 1523gs；铁磁共振线宽δh 491oe；居里温度tc 316.3；密度ρ5.06g/cm3。
[0046]
图1为对比例(a)和实施例1(b)制得yig样品的sem图；图2为实施例1制得yig样品的xrd谱图。由图1可知，通过bi-li-p联合取代后，材料的晶粒呈现出多重结构，平均晶粒尺寸明显增加，使得样品拥有低的矫顽力。由图2可知，本发明制得的样品为单一的石榴石相。表1为对比例和实施例材料磁性能的对照表。本发明选取bi
3+
、li
+
、p
5+
离子取代yig中24c位的y
3+
离子、16a和24d位的fe
3+
离子，产生的晶格畸变促使yig材料烧结温度大幅降低。并在此基础上调节li
+
、p
5+
离子的取代量，使得样品获得致密的结构，有利于提升材料的密度、降低材料的气孔率，保证材料拥有高饱和磁化强度的同时，减小铁磁共振线宽中的气孔致宽。
[0047]
表1：对比例和实施例材料性能的对照表
[0048]

技术特征：
1.一种ltcc环形器用低矫顽力yig基板材料，其特征在于，所述yig基板材料的组分为：fe2o
3 44.39～45.75mol％，y2o
3 29.74～29.89mol％，bi2o324.51～24.63mol％，p2o
5 0.2～0.71mol％，li2co
3 0.1～0.37mol％。2.一种ltcc环形器用低矫顽力yig基板材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、预烧料制备：1.1以fe2o3、y2o3、bi2o3、p2o5、li2co3作为原料，按照“fe2o344.39～45.75mol％，y2o
3 29.74～29.89mol％，bi2o
3 24.51～24.63mol％，p2o50.2～0.71mol％，li2co
3 0.1～0.37mol％”的比例称取原料，并放入行星式球磨机球磨6～10h，得到一次球磨料；1.2将步骤1.1得到的一次球磨料烘干、过筛后，在氧气氛围下进行预烧，预烧温度为800～850℃，时间为2.5～3.5h；步骤2、二次球磨：将步骤1得到的预烧料过筛后进行二次球磨，球磨时间为10～12h，球磨完成后，经烘干、过筛，得到二磨粉料；步骤3、成型，烧结：3.1向步骤2得到的二磨粉料中加入聚乙烯醇粘合剂进行造粒，然后压制成素胚；3.2将步骤3.1得到的素胚放入烧结炉进行烧结，以1～3℃/min的速率升温至880～920℃，保温2h，烧结完成后自然冷却至室温，得到所述yig基板材料。

技术总结
一种LTCC环形器用低矫顽力YIG基板材料及其制备方法，属于电子陶瓷技术领域。本发明采用Bi-Li-P联合取代，引入Bi


技术研发人员：贾利军 蔡廷庆 易鹏辉 周娜
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/6