專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微波介電陶瓷材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波介電陶瓷材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是鈮鎂酸鉍基微波介電陶瓷材料及制備方法。
背景技術(shù)：
為適應(yīng)集成電路的快速發(fā)展，科學(xué)家做了大量的研究工作，近幾年，Bi立方焦綠石結(jié)構(gòu)相得到了廣泛的研究，具有這種相結(jié)構(gòu)的陶瓷擁有非常高的介電常數(shù)和介電調(diào)諧率，室溫下在相當(dāng)大的測(cè)試頻率范圍內(nèi)擁有低的介電損耗，并且燒結(jié)溫度也比較低，這些性能使Bi基立方焦綠石結(jié)構(gòu)陶瓷在多層電容器和集成設(shè)備中具有較好的應(yīng)用前景。早在20世紀(jì)60年代，BaxSr1 JiO3(BST)鐵電材料的微波介電調(diào)諧性能就引起了人們的廣泛興趣；BST陶瓷材料的特點(diǎn)是介電調(diào)諧率高，但介電損耗較大，相關(guān)的研究比較多，近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)某些鉍基焦綠石結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有較高的介電調(diào)諧性能，介電損耗小，適中的介電常數(shù)，溫度系數(shù)小，是一種極具發(fā)展前景的微波介電可調(diào)材料。組成為Bih5ZnNK5O7的鉍基BZN材料具有焦綠石結(jié)構(gòu)，介電常數(shù)適中；但是，BZN陶瓷材料調(diào)諧率低，要達(dá)到一定的調(diào)諧率，調(diào)諧電場(chǎng)要求很高，相對(duì)于BZN陶瓷材料，另外一個(gè)以鉍為基體、具有立方焦綠石結(jié)構(gòu)、以三元體系的Bi2O3 — MgO — Nb2O5為基礎(chǔ)的介電陶瓷體系(簡(jiǎn)稱(chēng)BMN基陶瓷)在嵌入式電容器應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)始得到關(guān)注，原因就是這個(gè)體系所具有的高的介電常數(shù)和低的介電損耗；研究表明，化合物Bi2Mg2/3Nb4/307的介電常數(shù)非常之高，高達(dá)210，而化合物Bi2Zn2/3Nb4/30j^介電常數(shù)僅為86，二價(jià)鎂離子的引入可能起到了增強(qiáng)介電響應(yīng)的效果，BMN鉍基焦綠石材料是一種非常有前途的新型微波介質(zhì)可調(diào)材料。微波介質(zhì)陶瓷材料的制備方法很多，有固相反應(yīng)合成法、水熱合成法、化學(xué)共沉積法(CVD)、溶膠凝膠法(Sol-gel)等，其中采用固相合成法的最多，固相反應(yīng)合成法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單易操作，且成本較低。
國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在制備鉍基介電陶瓷材料方面做了大量工作，主要成果如下:賓夕法尼亞州立大學(xué)的W.Ren等人用金屬有機(jī)沉積(MOD)方法在Pt/Si基片上制備了立方相的BZN薄膜，首先發(fā)現(xiàn)了 BZN的介電可調(diào)性，R.L.Thayer等人在用金屬有機(jī)沉積(MOD)法制備BZN薄膜的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了 Bi2O3-ZnO-Nb2O5體系中的一種低溫相Bih5Zna5Nbh5O6.^該低溫相是在退火溫度低于600°C的條件下獲得的，立方燒綠石結(jié)構(gòu)，介電常數(shù)為180，可調(diào)率為26%，溫度系數(shù)TCC為-230ppm/°C ；電子科技大學(xué)的S.ff.Jiang等人用脈沖激光沉積(PLD)法在Pt/Si02/Si基片上制備BZN薄膜，其可調(diào)率大于6%，損耗低于0.004 ；S.ff.Jiang等用Mg2+取代BZN材料中的Zn2+離子，采用PLD法制備了 B^5MgNbh5O7(BMN)鉍基焦綠石薄膜，所制備的BMN薄膜介電損耗小(約0.002)，介電常數(shù)適中(約86)，隨溫度變化較小(介電溫度系數(shù)TCC約500ppm/K)；電子科技大學(xué)的齊增亮、蔣書(shū)文等人采用磁控濺射的方法制備Bi1.JnNK5O7 (BZN)鉍基焦綠石薄膜的介電損耗為0.002 0.004，介電調(diào)諧率約為20% ;此外AEHOON PUIffEI ff L等人研究發(fā)現(xiàn)BMN基陶瓷材料在移相器中也存在應(yīng)用，本發(fā)明采用固相合成法直接制備出多組分摻雜的微波介電鈮鎂酸鉍基陶瓷材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種產(chǎn)品性能良好、生產(chǎn)成本低、方法簡(jiǎn)單，可適合于工業(yè)化生產(chǎn)的微波介電陶瓷材料。本發(fā)明的目的之二是提供一種鈮鎂酸鉍基微波介電陶瓷材料的制備方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種Bih5MgNV5O7基微波介電陶瓷材料，其特征在于:所述材料的組分按摩爾百分比計(jì)算為:Bi20358% 60%，Mg06.90% 6.93%, Nb20529% 34% 為主體材料，Li2C03、ZrO2 各為
0.15% 5%，為介電功能添加劑。所述的一種Bi15MgNb15O7基微波介電陶瓷材料的制備方法，其特征在于:
利用傳統(tǒng)固相合成法制備Bih5MgNV5O7基微波介電陶瓷材料:按照如下摩爾百分比組分進(jìn)行配料，Bi20358% 60%，Mg06.90% 6.93%, Nb20529% 34% 為主體材料，Li2C03> ZrO2各為0.15% 5%為介電功能 添加劑；采用瑪瑙球、不銹鋼罐,無(wú)水乙醇為球磨介質(zhì),瑪瑙球:配料粉:無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為2:1:1,在行星式高能球磨機(jī)中濕磨IOh,轉(zhuǎn)速為150rpm ;球磨好的漿料在70°C保溫24 h成干粉；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVA水溶液作為粘結(jié)劑，粉料和PVA溶液質(zhì)量比為9:1，然后過(guò)150目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，用20MPa壓力保壓5min壓制，使粉料成坯；將坯體放入硅鑰棒高溫電爐中，以3°C /min的速率從室溫升至950°C，空氣氣氛中保溫150min,隨爐冷卻至室溫，完成對(duì)胚體的預(yù)燒；預(yù)燒后將胚體打碎進(jìn)行二次球磨，二次球磨參數(shù)與一次球磨相同，球磨好的漿料在70 °C保溫24 h成干粉；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVA水溶液作為粘結(jié)劑，粉料和PVA溶液質(zhì)量比為10:1，然后過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，用45MPa壓力保壓5min壓制，使粉料成坯；將坯體放入硅鑰棒高溫電爐中，以1°C /min的速率從室溫升至550°C，空氣氣氛中保溫300min，后以2V /min的速率升至燒結(jié)溫度1070°C，空氣氣氛中保溫90min，隨爐冷卻至室溫。燒結(jié)完成后，對(duì)坯體表面用細(xì)砂紙打磨拋光，保證坯體兩面光滑平整，無(wú)缺
陷；然后將陶瓷體兩面涂覆銀漿，在烘干箱中于70°C烘干；將烘干后的樣品放到電阻爐中，由室溫升至600°C，保溫30min，形成銀電極，即得鈮鎂酸鉍基陶瓷材料。本發(fā)明通過(guò)調(diào)整介電功能添加劑的合理比例，利用傳統(tǒng)固相合成法制備的鈮鎂酸鉍基陶瓷材料，介電常數(shù)為154 178，介電損耗為0.00034 0.00039,介電溫度系數(shù)為-480ppm/°C _332ppm/°C，本發(fā)明的鈮鎂酸鉍基微波介電陶瓷材料可用于集成電路中介質(zhì)壓控微波器件。技術(shù)優(yōu)勢(shì)
1、制備過(guò)程簡(jiǎn)單，可重復(fù)性較高，且成本較低，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)
2、通過(guò)調(diào)整介電功能添加劑的比例，BMN基陶瓷材料介電性能得到較大改善；之前報(bào)道的Bih5MgNbh5O7介電陶瓷材料介電常數(shù)為86左右，介電損耗小于0.005，介電溫度系數(shù)為-550ppm/°C ;與此對(duì)比，所制備的陶瓷材料介電損耗更小，介電常數(shù)得到提高，介電溫度系數(shù)更小，弛豫溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫，使BMN基陶瓷材料可以更好地服務(wù)于集成電路中。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的實(shí)施例敘述于后。
實(shí)施例1
I)利用傳統(tǒng)固相合成法制備鈮鎂酸鉍基微波介電陶瓷靶材:按照如下摩爾百分比組分進(jìn)行配料，Bi2O3:58.868%, MgO:6.905%, Nb2O5:33.0134%, Li2CO3:0.1582%,ZrO2:1.0554%。2)采用瑪瑙球、不銹鋼罐，無(wú)水乙醇為球磨介質(zhì)，瑪瑙球:配料粉:無(wú)水乙 醇的質(zhì)量比為2:1:1,在行星式高能球磨機(jī)中濕磨IOh,轉(zhuǎn)速為150rpm ;球磨好的楽:料
在70 °C保溫24 h成干粉；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVA水溶液作為粘結(jié)劑，粉料和PVA溶液質(zhì)量比為9:1，然后過(guò)150目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，用20MPa壓力保壓5min壓制，使粉料成坯；將坯體放入硅鑰棒高溫電爐中，以3°C /min的速率從室溫升至950°C，空氣氣氛中保溫150min，隨爐冷卻至室溫，完成對(duì)胚體的預(yù)燒。3)預(yù)燒后將胚體打碎進(jìn)行二次球磨，二次球磨參數(shù)與一次球磨相同；球磨好
的漿料在70 °C保溫24 h成干粉；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVA水溶液作為粘結(jié)劑，粉料和PVA溶液質(zhì)量比為10:1，然后過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，用45MPa壓力保壓5min壓制，使粉料成坯。4)將坯體放入硅鑰棒高溫電爐中，以1°C /min的速率從室溫升至550°C，空氣 氣氛中保溫300min， 后以2°C /min的速率升至燒結(jié)溫度1070°C，空氣氣氛中保溫
90min,隨爐冷卻至室溫。5)對(duì)坯體表面用細(xì)砂紙打磨拋光，保證坯體兩面光滑平整，無(wú)缺陷；最后將 陶瓷體兩面涂覆銀漿，在烘干箱中于70°C烘干；將烘干后的樣品放到電阻爐中，由室
溫升至600°C，保溫30min，形成銀電極，即得鈮鎂酸鉍基陶瓷材料。本實(shí)施例所制作的鈮鎂酸鉍基微波介電陶瓷薄膜材料經(jīng)性能測(cè)試，介電常數(shù)為162.5297，介電損耗為0.00034，介電溫度系數(shù)為 454ppm/°C。實(shí)施例2
本實(shí)例中，按照如下摩爾百分比組分進(jìn)行配料，Bi2O3:58.9163%，MgO:6.911%，
Nb2O5:31.902%, Li2CO3:0.1583%，ZrO2:2.1124% ;采用與實(shí)施例1相同的工藝步驟制作成鈮鎂酸鉍基陶瓷材料。本實(shí)施例所制作的鈮鎂酸鉍基微波介電陶瓷薄膜材料經(jīng)性能測(cè)試，介電常數(shù)為177.4177，介電損耗為0.00034，介電溫度系數(shù)為 480ppm/°C。實(shí)施例3
本實(shí)例中，按照如下摩爾百分比組分進(jìn)行配料，Bi2O3:59.0153%, MgO:
6.922%, Nb2O5:29.6721%, Li2CO3:0.1586%, ZrO2:4.232% ;采用與實(shí)施例1 相同的工藝步驟制作成鈮鎂酸鉍基陶瓷材料。本實(shí)施例所制作的鈮鎂酸鉍基微波介電陶瓷材料經(jīng)性能測(cè)試，介電常數(shù)為154.7748，介電損耗為0.00037，介電溫度系數(shù)為_(kāi)332ppm/°C。
權(quán)利要求
1.一種鈮鎂酸鉍基鋰鈦共替換微波介電陶瓷材料，為Bi1.5MgNbL 507基微波介電陶瓷材料，其特征在于:所述材料的組分按摩爾百分比計(jì)算為:Bi20359% 60%，Mg06.9% 7.0%，Nb20530% 33.2%為主體材料，Li2CO3^ TiO2各為0.15% 3%，為介電功能添加劑。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鈮鎂酸鉍基鋰鈦共替換微波介電陶瓷材料，其特征在于:所述的鈮鎂酸鉍基鋰鈦共替換微波介電陶瓷材料的介電常數(shù)為188 213，介電損耗為.0.00027 0.00031，介電溫度系數(shù)為_(kāi)683ppm/°C _523ppm/°C ;可用于集成電路中介質(zhì)壓控微波器件。
3.如權(quán)利要求1所述的一種鈮鎂酸鉍基鋰鈦共替換微波介電陶瓷材料的制備方法，其特征在于:利用傳統(tǒng)固相合成法制備BiuMgNbh5O7基微波介電陶瓷材料:按照如下摩爾百分比組分進(jìn)行配料,Bi20359% 60%，Mg06.9% 7.0%, Nb20530% 33.2%為主體材料，Li2CO3^TiO2各為0.15% 3% ;采用瑪瑙球和不銹鋼罐,無(wú)水乙醇為球磨介質(zhì),瑪瑙球:配料粉:無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為2:1:1,在行星式高能球磨機(jī)中濕磨IOh,轉(zhuǎn)速為150rpm ;球磨好的楽:料在.70 °C保溫24 h成干粉；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVA水溶液作為粘結(jié)劑，粉料和PVA溶液質(zhì)量比為9:1，然后過(guò)150目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，用20MPa壓力保壓5min壓制，使粉料成坯；將坯體放入硅鑰棒高溫電爐中，以3°C /min的速率從室溫升至950°C，空氣氣氛中保溫150min，隨爐冷卻至室溫，完成對(duì)胚體的預(yù)燒；預(yù)燒后將胚體打碎進(jìn)行二次球磨，二次球磨參數(shù)與一次球磨相同，球磨好的漿料在70 °C保溫24 h成干粉；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVA水溶液作為粘結(jié)劑，粉料和PVA溶液質(zhì)量比為10:1，然后過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，用45MPa壓力保壓5min壓制，使粉料成坯；將坯體放入硅鑰棒高溫電爐中，以1°C /min的速率從室溫升至550°C，空氣氣氛中 保溫300min，后以2V /min的速率升至燒結(jié)溫度1130°C，空氣氣氛中保溫90min，隨爐冷卻至室 溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微波介電陶瓷材料及制備方法。本發(fā)明通過(guò)調(diào)整介電功能添加劑的合理比例，所述材料的組分按摩爾百分比計(jì)算為Bi2O358%～60%，MgO6.90%～6.93%，Nb2O529%～34%為主體材料，Li2CO3、ZrO2各為0.15%～5%，為介電功能添加劑。利用傳統(tǒng)固相合成法制備的鈮鎂酸鉍基陶瓷材料，介電常數(shù)為154～178，介電損耗為0.00034～0.00039，介電溫度系數(shù)為-480ppm/℃~-332ppm/℃，本發(fā)明的鈮鎂酸鉍基微波介電陶瓷材料可用于集成電路中介質(zhì)壓控微波器件。
文檔編號(hào)C04B35/622GK103232239SQ20131014048
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者花銀群, 崔曉, 薛青, 陳瑞芳 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)