專利名稱：高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，特別涉及一種高品質(zhì)因數(shù)(Q值)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
微波介質(zhì)陶瓷為現(xiàn)代移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)所用諧振器、濾波器、介質(zhì)基板等微波元器件的關(guān)鍵材料。隨著電子信息技術(shù)不斷向高頻化和數(shù)字化方向發(fā)展，對元器件的小型化，集成化以至模塊化的要求也越來越迫切。因此追求高品質(zhì)因數(shù)、高介電常數(shù)、 近零或可調(diào)溫度系數(shù)以及低的燒結(jié)溫度為當(dāng)前微波介質(zhì)陶瓷材料的研究熱點(diǎn)。鈮酸鹽材料是重要的電子材料，具有優(yōu)良的光電性能和非線性光學(xué)性能、良好的光學(xué)效應(yīng)和電學(xué)性能以及變晶相界等獨(dú)特性質(zhì)，已廣泛用于制造電容器和光電子器件。這一體系材料原來是用于制作多層陶瓷電容器的，后來J. Cato等人研究它們在微波頻率下的介電特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這類材料在微波頻率下具有較高的介電常數(shù)和Q值，而且諧振頻率溫度系數(shù)接近于零。近年來無鉛化成為陶瓷材料研究的熱點(diǎn)之一，而鈮酸鹽陶瓷成為無鉛化陶瓷研究的重點(diǎn)之一。稀土鈮酸鹽(LnNbO4)是一系列結(jié)構(gòu)、相變特性和物理性質(zhì)類似的微波介質(zhì)材料，其中的Ln包括La至Lu的全部稀土元素。當(dāng)Ln被Nd替代時(shí)即為鈮酸釹(NdNbO4)陶瓷。研究表明，鈮酸釹陶瓷屬于類鈣鈦礦白鎢礦結(jié)構(gòu)，具有適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù) ε r(19. 6)，近零的諧振頻率溫度系數(shù)τ f(-24ppm/°C)，但品質(zhì)因數(shù)QXf較低(33 OOOGHz)， 且燒結(jié)溫度為1250°C。因此，較低的品質(zhì)因數(shù)是制約鈮酸釹陶瓷應(yīng)用關(guān)鍵所在。但目前對其制備方法和改性的研究還未見專門報(bào)道。本發(fā)明采用傳統(tǒng)固相法，以CaF2為助熔劑，在較低燒結(jié)溫度下，制備了鈮酸釹微波介質(zhì)陶瓷，在介電常數(shù)和諧振頻率溫度系數(shù)基本保持不變的同時(shí)，大幅提高了鈮酸釹系陶瓷的品質(zhì)因數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是以Nd203、Nb2O5為主要原料，并加入適量的CaF2作為助熔劑，克服目前的品質(zhì)因數(shù)QXf較低的缺陷，通過固相法制備具有高品質(zhì)因數(shù)的鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明一種高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷，其原料組分及摩爾百分比含量為，Nd2O3 50%, Nb2O5 50%，外加重量百分比含量1-7%的CaF2。本發(fā)明高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，具有如下步驟(I)將Nd203、Nb2O5原料按照摩爾比I : I的比例進(jìn)行配料，按照重量百分比，用料去離子水磨球=1:7:7的比例加入聚酯罐中，在球磨機(jī)上球磨4 6小時(shí)；(2)將步驟(I)球磨后的原料置于干燥箱中于80 130°C烘干，烘干后過40目篩， 獲得顆粒均勻的粉料；(3)將步驟⑵混合均勻的粉料在900 1100°C煅燒4小時(shí)；
(4)在步驟(3)煅燒后的陶瓷粉料中加入重量百分比為1-7%的CaF2，然后放入聚酯罐中，加入去離子水和鋯球后，在球磨機(jī)上球磨12 24小時(shí)；在烘干后在陶瓷粉料中外加重量百分比為6 10%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，再用粉末壓片機(jī)壓力成型，再將生坯于1200 1325°C燒結(jié)2 6小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷；(5)測試制得的微波介質(zhì)陶瓷的微波介電性能。所述步驟(I)的Nd203、Nb2O5原料的純度大于99. 9%。所述步驟(I)和步驟(4)的球磨機(jī)為行星式球磨機(jī)。所述步驟⑷的壓片機(jī)的工作壓強(qiáng)為4MPa,生還規(guī)格為Φ IOmmX 5mm的圓柱體。所述步驟(5)是通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試微波介質(zhì)陶瓷的微波介電性能。所述步驟(3)優(yōu)選的預(yù)燒溫度為900°C。所述步驟(4)優(yōu)選的CaF2加入量為2%。所述步驟(4)優(yōu)選的燒結(jié)溫度為1225°C，保溫4小時(shí)。本發(fā)明由于采用了 CaF2作為助熔劑，制備的NdNbO4陶瓷，其中生成了有益的第二相CaNb2O6,與現(xiàn)有的未加入CaF2助熔劑的制備方法相比，在更低的燒結(jié)溫度下，陶瓷的體積密度明顯增加。當(dāng)燒結(jié)溫度為1225°C，保溫時(shí)間4h，CaF2的摻雜量為2wt. %時(shí)，介電常數(shù)為20. I，諧振頻率溫度系數(shù)為-19. 6ppm/°C，品質(zhì)因數(shù)達(dá)到最大為75 OOOGHz。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用純度大于99. 9%的化學(xué)原料Nd2O3、Nb2O5、CaF2制備NdNbO4微波介質(zhì)陶瓷。本發(fā)明先將Nd203、Nb205按照摩爾比I : I稱量配料，混合后將原料加入尼龍罐中， 球磨4 6小時(shí)；將球磨后的原料置于紅外干燥箱中于80 130°C烘干，過40目篩，再于 900 1100°C煅燒4小時(shí)；再將煅燒后的陶瓷粉料中加入重量百分比為1-7%的CaF2，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和去離子水球磨12 24小時(shí)后烘干；再在烘干后的陶瓷粉料中外加重量百分含量為6 10的石蠟粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩后，用粉末壓片機(jī)于4MPa 的壓力下將粉末壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯；將生坯在1200 1325°C燒結(jié)，保溫 2 6小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷；最后通過網(wǎng)絡(luò)分析儀及相關(guān)測試夾具測試制品的微波介電性能。本發(fā)明具體實(shí)施例如下。實(shí)施例I :依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3I I. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于1100°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為2%的CaF2 O. 4g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1200°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。實(shí)施例2 依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3Il. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于1000°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為2. 5%的CaF2 O. 5g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa 的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1300°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。實(shí)施例3 依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3Il. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于900°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為2%的CaF2 O. 4g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1200°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。實(shí)施例4 依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3Il. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于900°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為2%的CaF2O. 4g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1225°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。實(shí)施例5 依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3I I. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于900°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為2%的CaF2O. 4g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1250°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。實(shí)施例6 依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3I I. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于900°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為2%的CaF2O. 4g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1300°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。實(shí)施例7
依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3Il. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于900°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為2%的CaF2 O. 4g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1325°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。實(shí)施例8 依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3Il. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于900°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為I %的CaF2O. 2g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1225°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。實(shí)施例9 依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3Il. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于900°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為3%的CaF2 O. 6g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1225°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。實(shí)施例10 依照微波介質(zhì)陶瓷組分NdNbO4,稱取Nd2O3I I. 17g、Nb2058. 83g配料，混合粉料加入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g鋯球后，在行星式球磨機(jī)上球磨6小時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn)/分，出料后置于干燥箱中120°C烘干并過40目篩，將粉料于900°C煅燒4小時(shí)，再稱取重量百分比為7%的CaF2L 4g與粉料混合后二次球磨24小時(shí)，出料后烘干并在粉料中加入重量百分比為8%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，并過80目篩，再用粉末壓片機(jī)以4MPa的壓力壓成直徑為10mm，厚度為5mm的生坯，將生坯在1225°C燒結(jié)，保溫4小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷，測量樣品的微波介電性能。本發(fā)明實(shí)施例的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)及介電性能檢測結(jié)果詳見表I。表I
權(quán)利要求
1.一種高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷，其原料組分及摩爾百分比含量為， Nd20350%，Nb20550%，外加重量百分比含量1-7%的CaF2。
2.權(quán)利要求I的高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，具有如下步驟(1)將Nd203、Nb205原料按照摩爾比I: I的比例進(jìn)行配料，按照重量百分比，用料去離子水磨球=1:7:7的比例加入聚酯罐中，在球磨機(jī)上球磨4 6小時(shí)；(2)將步驟(I)球磨后的原料置于干燥箱中于80 130°C烘干，烘干后過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料；(3)將步驟⑵混合均勻的粉料在900 1100°C煅燒4小時(shí)；(4)在步驟(3)煅燒后的陶瓷粉料中加入重量百分比為1-7%的CaF2，然后放入聚酯罐中，加入去離子水和鋯球后，在球磨機(jī)上球磨12 24小時(shí)；在烘干后在陶瓷粉料中外加重量百分比為6 10%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，再用粉末壓片機(jī)壓力成型，再將生坯于1200 1325°C燒結(jié)，保溫2 6小時(shí)，制得微波介質(zhì)陶瓷。(5)測試微波介質(zhì)陶瓷的微波介電性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟⑴的Nd203、Nb2O5原料的純度大于99. 9%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)和步驟(4)的球磨機(jī)為行星式球磨機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟⑷的壓片機(jī)的工作壓強(qiáng)為410^,生還規(guī)格為Φ IOmmX 5mm的圓柱體。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)是通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試微波介質(zhì)陶瓷的微波介電性能。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)優(yōu)選的預(yù)燒溫度為900°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述所述步驟(4)優(yōu)選的CaF2加入量為2%。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述所述步驟(4)優(yōu)選的燒結(jié)溫度為1225°C，保溫4小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高品質(zhì)因數(shù)鈮酸釹系微波介質(zhì)陶瓷，其原料組分及摩爾百分比含量為，Nd2O3 50％，Nb2O5 50％，外加重量百分比含量1-7％的CaF2。通過固相法，先將Nd2O3、Nb2O5原料按照摩爾比1∶1的比例進(jìn)行配料，再經(jīng)球磨、烘干、煅燒、加入CaF2、造粒，于1200～1325℃燒結(jié)。當(dāng)燒結(jié)溫度為1225℃，保溫時(shí)間4h，CaF2的摻雜量為2wt.％時(shí)，其介電常數(shù)為20.1，諧振頻率溫度系數(shù)為-19.6ppm/℃，品質(zhì)因數(shù)達(dá)到75 000GHz。本發(fā)明廣泛用于電容器和光電子器件的制造。
文檔編號C04B35/63GK102603296SQ201210076189
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者夏往所, 張平, 李玲霞, 王濤 申請人:天津大學(xué)