Керамический композитный материал

Изобретение относится к области радиофизики и может быть в частности использовано при изготовлении широкого класса электронных приборов и компонентов, в частности управляемых электрическим полем диэлектрических резонаторов и фильтров, управляемых конденсаторов, антенн, а также в ускорителях ядерных частиц. Керамический композитный материал включает BaTiO₃, SrTiO₃ и содержит твердый раствор барий-лантаноидного тетратитаната общей формулы: (Ba_1-xSr_x)Ln₂Ti₄O₁₂, где 0,2≥x≥0, a Ln - лантаноид из ряда: Nd-Sm, при следующем соотношении компонентов, мас.%: BaTiO₃ - 40-60, SrTiO₃ - 20-30, (Ba_1-xSr_x)Ln₂Ti₄O₁₂ - остальное. Керамический композитный материал дополнительно может содержать BaTi₄O₉ в количестве 1-5% или Nd₂O₃·3TiO₂ в количестве 5-25%. В результате решается задача снижения уровня диэлектрических потерь, повышения коэффициента управляемости диэлектрической проницаемости электрическим полем, в том числе и при значениях диэлектрической проницаемости выше 110, а также повышения значения коэффициента управляемости диэлектрической проницаемости электрическим полем при увеличении температуры окружающей среды. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области радиофизики и может быть в частности использовано при изготовлении широкого класса электронных приборов и компонентов, в частности управляемых электрическим полем диэлектрических резонаторов и фильтров, управляемых конденсаторов (варикондов или варакторов), антенн, а также в ускорителях ядерных частиц.

Известен керамический композитный материал для электронных приборов, включающий BaTiO₃ и SrTiO₃ в виде твердого раствора, а также ZrO₂, при этом (BaTiO₃+SrTiO₃) содержится в количестве, мас.%: 99-40, a ZrO₂ - 1-60, US 5486491.

Недостатки данного материала состоят в следующем: высокий уровень диэлектрических потерь tgδ; низкий коэффициент Т управляемости диэлектрической проницаемости ε электрическим полем.

Известен также керамический композитный материал для электронных приборов, включающий BaTiO₃, SrTiO₃ (твердый раствор), а также добавки, содержащие оксид магния, US 6074971.

Данное вещество принято за прототип настоящего изобретения.

Недостатками прототипа являются:

- высокий уровень диэлектрических потерь tgδ: от 0,0003 до 0,0016 при частоте электрического поля 250 kHz и от 0,00694 до 0,01917 при частоте 10 GHz;

- низкий коэффициент Т управляемости диэлектрической проницаемости электрическим полем: от 4,44 до 6,57% при напряженности Е электрического поля 2 в/мкм.

Указанные недостатки имеют место даже при невысоких значениях диэлектрической проницаемости ε: от 79 до 110. Кроме того, недостатком прототипа является снижение значения Т с увеличением температуры окружающей среды (в области рабочих температур электронных приборов), что требует создания специальных дополнительных систем для поддержания этой температуры на уровне, не выше соответствующего максимальному значению Т.

Задачей настоящего изобретения является снижение уровня диэлектрических потерь, повышение коэффициента управляемости диэлектрической проницаемости электрическим полем, в том числе и при повышенных значениях диэлектрической проницаемости (выше 110), а также обеспечение повышения значения коэффициента управляемости диэлектрической проницаемости электрическим полем при увеличении температуры окружающей среды (в пределах диапазона рабочих температур электронных приборов).

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что керамический композитный материал для электронных приборов, включающий BaTiO₃, SrTiO₃ дополнительно содержит твердый раствор барий-лантаноидного тетратитаната общей формулы:

(Ba_I-XSr_x)Ln₂Ti₄O₁₂, где

0,2≥х≥0, a Ln - лантаноид из ряда: Nd-Sm,

при следующем соотношении компонентов, мас.%:

BaTiO₃ - 40-60

SrTiO₃ - 20-30

(Ba_I-XSr_x)Ln₂Ti₄O₁₂ - остальное

Керамический композитный материал дополнительно может содержать BaTi₄O₉ в количестве 1-5%; керамический композитный материал дополнительно может содержать Nd₂O₃·3TiO₂ в количестве 5-25%.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Реализация отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения) обеспечивает получение важных новых свойств керамического композитного материала для электронных приборов.

Диэлектрические потери значительно уменьшаются в сравнении с прототипом даже на сверхвысоких частотах: от 0,0042 до 0,0075 при 11 ГГц, от 0,0001 до 0,0004 при частоте 1 МГц. Это обеспечивает резкое снижение собственных шумов электронных приборов, соответственно, увеличение их чувствительности, а также возможность повышения рабочих частот приборов. Коэффициент Т управляемости диэлектрической проницаемости электрическим полем увеличивается и составляет от 5 до 21% при Е=1,8 в/мкм и температуре окружающей среды t°=25°С и от 6 до 44% - при Е=1,8 в/мкм при t°=50°С.

Увеличение значения Т обеспечивает возможность улучшения перестройки частоты приборов при невысоких управляющих напряжениях.

Следует также отметить, что настоящее изобретение обеспечило совершенно неожиданный, парадоксальный эффект: в то время как для всех известных керамических композитных материалов для электронных приборов характерно резкое снижение значения Т и увеличение tgδ при увеличении температуры окружающей среды, заявленная композиция обеспечивает повышение Т при сохранении низких значений с увеличением температуры. Это позволяет исключить необходимость наличия термостабилизации, обеспечивает улучшение параметров электронных приборов.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Керамический композитный материал согласно настоящему изобретению получают следующим образом. Исходные компоненты: BaTiO₃ и SrTiO₃ смешивают с остальными компонентами в заданных соотношениях в вибромельницах в течение 3 часов до получения порошка с удельной поверхностью 1-2 м²/г. Затем изготавливают методом гидравлического прессования дисковые образцы при удельном давлении 0,8-1 Т/см². Полученные образцы спекают в электрической печи при температурах в интервале от 1260 до 1420°С в течение 3-5 ч до достижения нулевого водопоглощения.

Для измерения электрических параметров образцов на высоких частотах их покрывают содержащей серебро пастой, которую вжигают при t°=840±20°С, в результате чего образуются электроды. При сверхвысоких частотах измерения не требуют формирования электродов и осуществляются методом волноводно-диэлектрического резонатора по стандартной методике, зарегистрированной в Государственном реестре Российской Федерации (МИ 00173-2000).

Для измерения коэффициента управляемости диэлектрической проницаемости электрическим полем электроды формируют путем вакуумного напыления меди.

Результаты испытания образцов заявленного материала приведены в таблице.

№ п/п	Состав, мас.%	ε	tgδ на частоте	Т, % Е=1,8 В/мкм при температуре
BaTiO3	SrTiO3	(BaI-XSrX)Ln2Ti4O12	BaTi4O9	Nd2O3·3ТiO2	1 МГц	11 ГГц	25°С	50°С
1	40	20	40	-	-	485	0,00015	0,0056	7	8
2	45	22	33	-	-	528	0,00013	0,0061	9	10
3	50	25	25	-	-	560	0,00012	0,0042	13	15
4	55	27	18	-	-	600	0,00018	0,0052	15	16
5	60	30	10	-	-	650	0,00045	0,0075	15	18
6	50	25	24	1	-	640	0,00032	0,0068	18	27
7	45	22	29	4	-	760	0,00011	0,0056	21	44
8	50	23	22	5	-	730	0,00025	0,0062	11	15
9	50	23	22	-	5	670	0,00016	0,0071	8	12
10	50	20	15	-	15	655	0,00045	0,0068	6	7
11	50	25	25	-	25	550	0,00044	0,0062	5	6

При увеличении содержания BaTiO₃ свыше 60 мас.% происходит значительное увеличение уровня диэлектрических потерь, при уменьшении содержания этого компонента ниже 40 мас.% снижается коэффициент Т управляемости.

При увеличении содержания SrTiO₃ свыше 30 мас.% также снижается коэффициент Т, а при снижении содержания SrTiO₃ ниже 20 мас.% возрастает уровень диэлектрических потерь материала.

Дополнительное введение BaTi₄O₉ или Nd₂O₃·3ТiO₂ обеспечивает некоторое дальнейшее повышение коэффициента Т при сохранении низкого уровня диэлектрических потерь.

Для реализации изобретения используются распространенные материалы и обычное заводское оборудование, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».

1. Керамический композитный материал для электронных приборов, включающий BaTiO₃, SrTiO₃, отличающийся тем, что дополнительно содержит твердый раствор барий-лантаноидного тетратитаната общей формулы:

(Ba_I-xSr_x)Ln₂Ti₄O₁₂, где

0,2≥х≥0, a Ln - лантаноид из ряда: Nd-Sm,

при следующем соотношении компонентов, мас.%:

BaTiO3	40-60
SrTiO3	20-30
(BaI-xSix)Ln2Ti4O12	Остальное

2. Керамический композитный материал по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит BaTi₄O₉ в количестве 1-5%.

3. Керамический композитный материал по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит Nd₂O₃·3TiO₂ в количестве 5-25%.