[1]Изобретение относится к радиоэлектронной технике и касается создания керамических материалов с низкой диэлектрической проницаемостью и малыми диэлектрическими потерями, предназначенных для использования в высокочастотном и сверхвысокочастотном диапазонах для изготовления широкого класса приборов электронной техники.
[2]Основными характеристиками керамических материалов являются:
[3]- заданная величина действительной составляющей комплексной диэлектрической относительной проницаемости на функциональной частоте - ε';
[4]- тангенс угла диэлектрических потерь - tgδε,
[5]- плотность материала, г/см3 - ρ,
[6]- влагопоглощение, % - W.
[7]Для повышения добротности высокочастотных микроволновых приборов керамический материал должен обладать уменьшенными диэлектрическими потерями (tgδε≤4⋅10-4), плотностью, близкой к теоретической, и минимальным влагопоглощением (≤0,1%).
[8]В настоящее время почти отсутствуют плотные керамические материалы с диэлектрической проницаемостью ниже чем ε'=4,7 и малыми диэлектрическими потерями.
[9]Известен отечественный органический диэлектрик СТ-4 с ε'=4 (ОСТ4ГО.023.600), но по сравнению с керамическими диэлектриками, их диэлектрические потери гораздо выше, а температура размягчения очень низкая (~200 С°). Эти факторы ограничивают их применение в СВЧ приборах.
[10]Известен также отечественный аналог керамического материала 5К (каталог АО «НИИ» Феррит-Домен») с низкими диэлектрическими потерями, но значение диэлектрической проницаемости ε' выше заявляемого.
[11]Среди зарубежных аналогов известен патент США №6.440.883, в котором предложен основной состав керамики MgO-Al2O3-SiO2, дополнительно материал содержит окислы щелочных металлов, таких как K2O в количестве не более 0,1% от общей массы керамики. Присутствие окислов щелочных металлов, образуя стеклофазу, способствуют снижению температуры спекания до 1450°С. Положительным результатом помимо снижения температуры спекания, является также уменьшение диэлектрических потерь на отдельных составах. Среди примеров различного состава приводится также керамический материал с диэлектрическими свойствами: ε'=4,8 и tgδε=4⋅10-4, по своим свойствам соответствующий отечественному керамическому материалу 5К, разработанному ранее.
[12]В отечественном патенте №2581860 (патентообладатель ОАО «НИИ «Феррит-Домен») предложен керамический материал на основе окислов MgO, Al2O3, ZnO, SiO2, обладающий низким значением диэлектрической проницаемости ε'≤4,2, но имеющий повышенные диэлектрические потери tgεδ=7⋅10-4.
[13]Параметры рассмотренных аналогов приведены в таблице 1.
[14]
[15]Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является керамический материал по патенту №2581860, взятый в качестве прототипа.
[16]Технический результат заявляемого изобретения заключается в получении керамического материала с низким уровнем диэлектрических потерь ≤4⋅10-4, при сохранении низкой величины диэлектрической проницаемости 4,0±0,2 и влагопоглощения ≤0,1%.
[17]Для достижения технического результата предлагается керамический материал, который содержит в качестве базового состава оксиды магния, алюминия, кремния и цинка, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид марганца, при следующем соотношении компонентов, вес.%:
[18]Оксид магния (MgO) - 13,0-6,2
[19]Оксид алюминия (Al2O3) - 33,3-23,4
[20]Оксид цинка (ZnO) - 1,3-12,5
[21]Оксид марганца (Mn2O3) - 1,2-12,1
[22]Оксид кремния (SiO2) – остальное.
[23]Предлагаемый керамический материал получают по следующей технологии.
[24]Исходные компоненты, взятые в необходимых соотношениях, перемешиваются в дистиллированной воде в шаровой мельнице в течение 20-24 часов при соотношении масса : шары : вода (м:ш:в), равным 1:2:2,5. В качестве мелющих тел используются высокоплотные алундовые цилиндры диаметром и высотой 12 мм. Высушенную смесь протирают через капроновые сита и синтезируют при температуре 1280-1300°С в течение 4-6 часов на воздухе. После чего шихта подвергается мокрому помолу по режиму, описанному выше.
[25]Пресс-порошок готовится путем введения 1/5 части от веса шихты 1,5% раствора метилцеллюлозы. Спрессованные при удельном давлении 1 т/см2 образцы спекаются на воздухе при температуре 1240-1400°С в течение 2-4 часовой выдержки.
[26]На спеченных образцах измерялись следующие параметры: плотность, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и влагопоглощение.
[27]Плотность ρ определялась методом гидростатического взвешивания. Действительная составляющая комплексной диэлектрической относительной проницаемости (ε') и тангенс угла диэлектрических потерь (tgδε) измерялись резонансным методом на частоте 6,5 ГГц на шлифованных дисках диаметром 20÷24 мм и толщиной 2÷3 мм, полученных в результате спекания образцов. Влагопоглощение W рассчитывают по формуле:
[28]
,
[29]где q0 - первоначальный вес, q1 - вес после 24 ч погружения в дистиллированную воду.
[30]Примеры полученной керамики, их химической состав и электрофизические свойства приведены в таблице 2.
[31]
[32]В примерах №1, 2, 3, 4, 5 даны химические составы в пределах заявленных процентных соотношений и соответствующие им электрофизические свойства, полученные в результате испытаний по стандартным методикам.
[33]Пример №6. Увеличение содержания MgO и уменьшение ZnO, по сравнению с заявленными пределами, приводит к росту диэлектрической проницаемости.
[34]Пример №7. Уменьшение содержания MgO и увеличение ZnO, по сравнению с заявленными пределами, приводит к увеличению диэлектрических потерь.
[35]Пример №8. Увеличение содержания Al2O3 и уменьшение Mn2O3, по сравнению с заявленными пределами, приводит к увеличению диэлектрической проницаемости и росту диэлектрических потерь.
[36]Пример №9. Уменьшение содержания Al2O3 и увеличение Mn2O3 по сравнению с заявленными пределами, приводит к увеличению диэлектрических потерь, кроме того, становится невозможным получить хорошо спеченный материал, поэтому возрастает влагопоглощение.
[37]Предлагаемое изобретение было создано в процессе выполнения тематического плана предприятия «Исследование возможности получения керамического материала с диэлектрической проницаемостью ε'=4±0,2 и tgδε≤4⋅10-4».
[38]В дальнейшем при соответствующей технологической отработке будет выпущена документация на данный керамический материал марки 4К.
[39]Создание керамического материала с малыми диэлектрическими потерями и с низкой диэлектрической проницаемостью позволит расширить номенклатуру материалов и создаваемых на их основе современных высокодобротных радиоэлектронных устройств.
