溶膠凝膠技術制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是關于電子信息材料與元器件的，特別涉及一種制備鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的方法。
【背景技術】
[0002]微波(Microwave)是指波長在Im到1mm，即頻率從300MHz到300GHz之間的電磁波。微波介質陶瓷(MWDC)是近年來國際上對電介質材料研宄的一個新動向，這主要是為了適應微波移動通訊的發(fā)展需求。20世紀后期，信息處理技術與電子信息數(shù)字化技術相結合將通訊系統(tǒng)推上了一個前所未有的新高峰。通信的終極目標是要做到全時空的信息傳遞與交換，從而使通訊機的高度可移動性成為發(fā)展的必然趨勢。
[0003]微波通信產業(yè)的發(fā)展對基板材料和電子封裝陶瓷提出了更高的要求:很高的Q.f值和較低的介電常數(shù)。因此，許多高Q值材料得到了深入的研宄和開發(fā)，其中，剛玉結構的Al2O3陶瓷具有非常高的Q.f = 120000GHz和相對較低的介電常數(shù)。由于α -Al 203陶瓷具有良好導熱性能和優(yōu)異的微波介電性能，已被深入地進行了研宄，并得到了廣泛的應用。然而，氧化鋁陶瓷的燒結溫度一般在1600-1800°C之間，而且通過多相復合的方法不能改善其較大的負諧振頻率溫度系數(shù)，這些都限制了 a -Al2O3陶瓷作為低溫燒結基板材料的進一步發(fā)展。因此，研制開發(fā)新一代具有高Q值、低介電常數(shù)的微波介質已成為微波介質陶瓷領域的熱點問題。
[0004]自60年代Mg4Nb2O9陶瓷被發(fā)現(xiàn)以來，已得到了許多研宄。近期的研宄還發(fā)現(xiàn)Mg4Nb2O9化合物具有與α -Al 203相似的剛玉型晶體結構，空間群為P3cl (第165號)，晶格參數(shù)為a = 5.1612和b = 14.028埃。晶體結構決定了它具有優(yōu)異的微波介電性能，在1400°C燒結的Mg4Nb2O9陶瓷，Q.f值可以達到200000GHz，而介電常數(shù)與α -Al 203陶瓷幾乎接近。因此，Mg4Nb2O9陶瓷可望成為取代氧化鋁陶瓷的新一代高Q值基板陶瓷。
[0005]但是現(xiàn)有資料研宄表明目前關于MgO-Nb2O5系統(tǒng)材料體系的制備技術整體上以固相合成為主，體系合成溫度過高(合成溫度在1000°c以上)，所合成的陶瓷粉料粒度處于微米級別，不利于后期微波陶瓷的燒結?；谏鲜霈F(xiàn)狀，本發(fā)明利用溶膠凝膠技術，通過液相法率先制備Mg4Nb2O9陶瓷納米級別粉體，為燒結該體系微波陶瓷提供優(yōu)質納米粉料。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服MgO-Nb2O5系統(tǒng)固相合成鈮酸鎂粉體溫度偏高、合成粉體粒度較大的缺點，利用溶膠凝膠技術，制備納米級別的Mg4Nb2O9陶瓷粉體。該技術合成的微波陶瓷粉體顆粒細小、均勻，合成溫度低，可為燒結性能良好的鈮酸鎂微波陶瓷提供優(yōu)質的前期粉體。
[0007]本發(fā)明的溶膠凝膠法制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制備方法，具有以下步驟:
[0008](I)配制鈮的檸檬酸水溶液
[0009](a)根據鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學計量比，稱取五氧化二鈮，按照五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為1: 5?1: 10配料，將兩者混合均勻，裝入高鋁坩禍內，于700?1000°C煅燒，得到鈮酸鉀；稱取檸檬酸，加入500ml去離子水中，制成檸檬酸水溶液；
[0010](b)將步驟(I) (a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水，加入硝酸，調整其pH值為3?5，確保全部生成鈮酸沉淀；
[0011](C)離心分離、洗滌步驟⑴(b)的鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到步驟⑴(a)的檸檬酸水溶液中，并于水浴加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為2: I?6: I ；
[0012](2)配制鎂的檸檬酸水溶液
[0013](a)根據鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學計量比，稱取六水硝酸鎂，溶解于10ml去離子水中；
[0014](b)向步驟(2) (a)的溶液中加入檸檬酸，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為5: I?10: 1，并溶解充分，調整其pH值為3?5 ;
[0015](c)水浴加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的檸檬酸水溶液；
[0016](3)Mg-Nb前驅體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得
[0017](a)將上述步驟(I)、(2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后加入乙二醇作為酯化劑，乙二醇加入的摩爾量為檸檬酸的4-6倍；通過水浴加熱、不斷攪拌，保證均勻，獲得Mg-Nb前驅體溶液；
[0018](b)將步驟(3) (a)制備的Mg-Nb前驅體溶液置于烘箱內烘干，形成干凝膠；
[0019](c)將步驟(3) (b)的干凝膠置于高溫爐中煅燒處理，獲得顆粒均勻的納米級鈮酸鎂粉體。
[0020]所述步驟(I) (a)的熔融時間是2?6小時。
[0021]所述步驟(I) (C)和(2) (C)的水浴溫度為45。。?80。。。
[0022]所述步驟(3) (b)的烘干溫度為100°C。
[0023]所述步驟(3) (C)的煅燒處理溫度為550°C?850°C。
[0024]所述步驟(3) (C)制得的鈮酸鎂納米粉體的平均粒徑為40?80nm。
[0025]本發(fā)明的有益效果是，利用溶膠凝膠技術在較低溫度下制備出的納米級Mg4Nb2O9陶瓷粉體。該技術合成的微波陶瓷粉體顆粒細小、均勻，具有納米級別的尺度，具有良好的燒結特性，粉體純度高，沒有任何雜質，可作為后期陶瓷燒結的優(yōu)質粉體。
【具體實施方式】
[0026]下面結合實施例對本發(fā)明作進一步描述，本發(fā)明所用原料均采用市售的化學純原料。
[0027]實施例1
[0028](I)配制鈮的檸檬酸水溶液
[0029](a)根據鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學計量比，分別稱取五氧化二鈮粉體5.326克、檸檬酸19.2克，以及助溶劑碳酸鉀14.293克，其中，五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為1: 10 ;將檸檬酸加入500ml去離子水中，形成檸檬酸水溶液；將五氧化二鈮粉末與碳酸鉀粉末混合均勻，裝入高鋁坩鍋內，在800度煅燒4h，得到鈮酸鉀；
[0030](b)將步驟(a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水中，加入硝酸，調整其pH值為4，確保全部生成鈮酸沉淀；
[0031](c)離心分離、洗滌上述鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到檸檬酸水溶液中，并于水浴80°C加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為5:1;
[0032](2)配制鎂的檸檬酸水溶液
[0033](a)根據鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學計量比，稱量六水硝酸鎂20.513克，溶解于10ml去離子水中；
[0034](b)然后稱量檸檬酸20克，并加入到將上述溶液，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為5:1，保證溶解充分，調整其pH值為4 ；
[0035](c)水浴80°C加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的檸檬酸水溶液。
[0036](3)Mg-Nb前驅體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得
[0037](a)將上述(I)、(2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后加入乙二醇作為酯化劑，乙二醇加入的摩爾量為檸檬酸的5倍；通過水浴80°C加熱、不斷攪拌，保證均勻，獲得Mg-Nb前驅體溶液；
[0038](b)將制備的Mg-Nb前驅體溶液置于烘箱100°C進行烘干，形成干凝膠；
[0039](c)采用箱式電阻爐550°C氧氣氣氛下將干凝膠進行煅燒處理；通過進一步研磨，可得均勻、顆粒細小的納米級鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)粉體。
[0040]采用場發(fā)射掃描電鏡(JEOL JSM-7600F，Japan)測試該納米粉體顆粒的平均粒徑分布為40_50nm。
[0041]實施例2
[0042](I)配制鈮的檸檬酸水溶液
[0043](a)根據鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學計量比，分別稱取五氧化二鈮粉體5.326克、檸檬酸19.2克，以及助溶劑碳酸鉀14.293克，其中，五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為1: 10 ;將檸檬酸加入500ml去離子水中，形成檸檬酸水溶液；將五氧化二鈮粉末與碳酸鉀粉末混合均勻，裝入高鋁坩鍋內，在800度煅燒4h，得到鈮酸鉀；
[0044](b)將步驟(a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水中，加入硝酸，調整其pH值為4，確保全部生成鈮酸沉淀；
[0045](C)離心分離、洗滌上述鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到檸檬酸水溶液中，并于水浴80°C加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為5:1;
[0046](2)配制鎂的檸檬酸水溶液
[0047](a)根據鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學計量比，稱量六水硝酸鎂20.51