一種Ca-Nd-Ti體系中溫共燒陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子陶瓷及其制造領(lǐng)域，涉及一種中溫燒結(jié)Ca-Nd-Ti體系微波介質(zhì) 陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波介質(zhì)陶瓷是指應(yīng)用于微波（300MHz到30GHz)頻段電路中作為介質(zhì)材料并完 成一種或多種功能的陶瓷，是現(xiàn)代通信技術(shù)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，被廣泛應(yīng)用于介質(zhì)諧振器、 濾波器、介質(zhì)基片、介質(zhì)波導(dǎo)回路、微波電容、雙工器、天線等微波元器件。
[0003] 應(yīng)用于微波頻段的介質(zhì)陶瓷，應(yīng)滿足如下要求：（1)適宜的介電常數(shù)以利于器件 的小型化（介質(zhì)元器件的尺寸與介電常數(shù)\的平方根成反比）；（2)高的品質(zhì)因數(shù)Q以降 低損耗，一般要求QXf彡3000GHz(其中f為諧振頻率）。；（3)穩(wěn)定的接近零的頻率溫度 系數(shù)，以保證器件的溫度穩(wěn)定性；(4)與銀或銅有良好的共燒性。近年來隨著電子信息技術(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。中溫共燒陶瓷以其優(yōu)異的電學、機械、熱學及工藝特性，已經(jīng)成為電子器件模塊化的 主要技術(shù)之一。近年來國內(nèi)外的研究人員對一些中溫燒結(jié)體系材料進行了廣泛的探索和研 究。在微波介質(zhì)陶瓷中Ca-Nd-Ti體系具有良好的微波介電性能，和可調(diào)的頻率溫度系數(shù)， 但通常都具有高的燒結(jié)溫度（> 1300°C)，不能直接與Cu等低熔點金屬共燒，這在很大程 度上限制了其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。因此如何降低微波介質(zhì)材料的燒結(jié)溫度成了研究重點， 目前通常采用的降低微波介質(zhì)材料的燒結(jié)溫度的方法有：（1)改進制備工藝如采用化學合 成方法制備，降低燒結(jié)溫度，但該方法工藝復(fù)雜，制作周期增加；（2)使用超細粉體作原料， 提高粉體活性，降低陶瓷燒結(jié)溫度，但該方法成本高；（3)添加低熔點氧化物或低熔點玻璃 燒結(jié)助劑，在燒結(jié)過程中，低熔點氧化物或玻璃燒結(jié)助劑形成液相，降溫效果明顯，且工 藝簡單，易于批量生產(chǎn)。因此為降低制作成本，大多采用第三種方法降低微波介質(zhì)材料的燒 結(jié)溫度。
[0004] 近年來，越來越多的陶瓷材料研究大多數(shù)都朝著高介電、低損耗和高品質(zhì)因數(shù)等 方向發(fā)展。眾所周知，應(yīng)用在微波材料方面的Ca-Nd-Ti(CNT)體系陶瓷也不例外。CNT材料 具有良好的微波介電性能，較高的介電常數(shù)（120~140)和品質(zhì)因數(shù)（5000~10000GHz) 以及可調(diào)的諧振頻率溫度系數(shù)。然而，未摻雜的CNT陶瓷材料燒結(jié)溫度卻高達1350°C，無 法與銅共燒。為了降低燒結(jié)溫度，傳統(tǒng)的方法一種為摻入低熔點氧化物，如B203及V205，然 而游離的B203及V205在后期流延過程中易導(dǎo)致漿料粘度過大而不穩(wěn)定，限制了其實際應(yīng) 用；另一種方法是摻入低熔點玻璃，但玻璃相的存在大大提高了材料的介質(zhì)損耗，且玻璃在 熔煉過程中性能不穩(wěn)定，成本較高。雖然已有研究關(guān)注無玻璃相的中溫高介電陶瓷，但實際 生產(chǎn)中能應(yīng)用的體系并不多。此外未摻雜的CNT陶瓷材料具有較高的諧振頻率溫度系數(shù) (Tf>200)，極大限制了中溫共燒技術(shù)及微波多層器件的發(fā)展。鑒于以上敘述，如何制備一 種穩(wěn)定的、可中溫燒結(jié)的、高性能的高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料是工業(yè)應(yīng)用的迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述存在的問題或不足，本發(fā)明提供了一種Ca-Nd-Ti(CNT)體系中溫共燒陶 瓷及其制備方法。其燒結(jié)溫度<l〇〇〇°C，介電常數(shù)（60~100)，品質(zhì)因數(shù)QXf值（1500~ 2500)6抱，接近于0的^(3~15)??111/°(：。
[0006] 該Ca-Nd-Ti體系中溫共燒陶瓷，其原料組成為質(zhì)量百分比39. 96%~71. 11%的 Ca-Nd-Ti(CNT)、質(zhì)量百分比 20. 24%~57. 66%的Li-Nd-Ti(LNT)和質(zhì)量百分比 2. 38%~ 8. 65 %的降燒劑。
[0007] 所述降燒劑組成的質(zhì)量百分比為：44. 05 %彡La203彡47. 47 %、1. 65 % 彡ZnO彡 5. 69%、49. 57%彡H3B03彡 50. 56%和 0? 29%彡CaC03彡 0? 69%。
[0008] 該Ca-Nd-Ti體系中溫共燒陶瓷的制備方法，包括下列步驟：
[0009] 步驟 1 :將原材料CaC03、Nd203和TiO2粉體按摩爾比CaCO3:Nd203:Ti0 2= 6 :1. 33 : 10配料，以去離子水為介質(zhì)行星球磨3~7小時，取出后在KKTC下烘干，以60目篩網(wǎng)過 篩，然后在800°C~1200°C大氣氣氛中預(yù)燒5~8小時合成主要晶相為具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的 固溶體CaQ.6Nda26Ti03即CNT基料；
[0010] 步驟 2 :將原材料Li2C03、Nd203、Ti02粉體按摩爾比Li2C03:Nd203:Ti02 = 0. 25:0. 25:1進行配料，以酒精為介質(zhì)行星球磨3~7小時，烘干后以60目篩網(wǎng)過篩，于 800°C~1200°C預(yù)燒2~5小時，制得即LNT基料；
[0011] 步驟3 :降燒劑的制備，將原材料La203、ZnO、H3B03、CaC03按質(zhì)量百分比44. 05% 彡La203彡 47. 47 %、1. 65 % 彡ZnO彡 5. 69 % 和 49. 57 % 彡H3B03彡 50. 56 %、0? 29 % 彡CaC03< 0. 69 %配料，使用去離子水為球磨介質(zhì)，行星球磨3~12小時，烘干過篩，在 500°C~800°C下保溫2~8小時預(yù)燒，然后在1KKTC~1500°C保溫1~5小時熔融，再淬 火形成玻璃渣，將制備的玻璃渣再破碎球磨成降燒劑備用；
[0012] 步驟4:將步驟1-3制備的CNT基料、LNT基料和降燒劑按照質(zhì)量百分比39. 96% 彡CNT彡71. 11%、20. 24%彡LNT彡57. 66%、2. 38%彡降燒劑彡8. 65%進行混合，以酒精 為介質(zhì)行星球磨15_30min，取出后在100°C下烘干，添加劑量占原料總質(zhì)量2~5%的丙烯 酸溶液作為粘結(jié)劑造粒，壓制成型，最后在950°C~1025°C大氣氣氛中燒結(jié)1~4小時，制 成Ca-Nd-Ti體系中溫共燒陶瓷材料。
[0013] 綜上所述本發(fā)明具有以下優(yōu)點：Ca-Nd-Ti體系陶瓷燒結(jié)溫度彡1000°C，高等介電 常數(shù)（60~100)以利于器件的小型化，較好的品質(zhì)因數(shù)QXf?值（1500~2500)GHz和接近 于 0 的tf(3 ~15)ppm/°C。
【具體實施方式】
[0014] 本發(fā)明材料原料組成為：質(zhì)量百分比39. 96%~71. 11 %的Ca-Nd-Ti(CNT)、質(zhì)量 百分比20. 24%~57. 66%的Li-Nd-Ti(LNT)和質(zhì)量百分比2. 38%~8. 65%的降燒劑。
[0015]所述降燒劑組成的質(zhì)量百分比為：44. 05 %彡La203彡47. 47 %、1. 65 % 彡211〇彡5.69%和 49.57%彡113803彡 50.56%、0.29%彡〇&0)3彡0.69%。
[0016] 實施例：
[0017] 表1示出了構(gòu)成本發(fā)明的各成分含量的幾個具體實施例的數(shù)據(jù)，表2給出各實施 例的微波介電性能。其制備方法如上所述，用圓柱介質(zhì)諧振器法進行微波介電性能的評價。
[0018] 表 1 :
[0019]
[0022] 從上表可以看出，通過LNT和降燒劑的加入，使得體系能夠在較低溫度下燒結(jié)致 密。實施例1、2、3、4為加入固定量的LNT和降燒劑在不同溫度下燒結(jié)的的Ca-Nd-Ti陶瓷， 實施例4、7、8、9摻入固定量的LNT和不同量降燒劑在1000°C下燒結(jié)的Ca-Nd-Ti陶瓷，實施 例3、5、6為摻入固定量的降燒劑和不同量LNT和不同量的CNT在1000 °C下燒結(jié)的Ca-Nd-Ti 陶瓷。對比可見，適量LNT和降燒劑的加入，能進一步促進燒結(jié)，使燒結(jié)溫度降至1000°C，并 且能將tf降至5. 06,極大的提高了CNT陶瓷的微波性能。
【主權(quán)項】
1. 一種Ca-Nd-Ti體系中溫共燒陶瓷，其特征在于： 原料組成為質(zhì)量百分比39. 96%~71. 11 %的Ca-Nd-Ti即CNT、質(zhì)量百分比20. 24%~ 57. 66%的Li-Nd-Ti即LNT和質(zhì)量百分比2. 38%~8. 65%的降燒劑； 降燒劑組成的質(zhì)量百分比為：44. 05 %彡La2O3彡47. 47%、L 65 %彡ZnO彡5.69%、 49. 57 % 彡 H3BO3彡 50. 56 % 和 0? 29 % 彡 CaCO 3彡 0? 69 %。2. 如權(quán)利要求1所述Ca-Nd-Ti體系中溫共燒陶瓷，其特征在于： 燒結(jié)溫度彡1000°C，介電常數(shù)為60~100,品質(zhì)因數(shù)QXf?值1500~2500GHz，Tf為 3 ~15ppm/ °C 〇3. 如權(quán)利要求1所述Ca-Nd-Ti體系中溫共燒陶瓷的制備方法，包括下列步驟： 步驟 1 :將原材料 CaC03、Nd203和 TiO2粉體按摩爾比 CaC03:Nd 203:Ti02= 6 :1. 33 :10 配 料，以去離子水為介質(zhì)行星球磨3~7小時，取出后在KKTC下烘干，以60目篩網(wǎng)過篩，然 后在800°C~1200°C大氣氣氛中預(yù)燒5~8小時合成主要晶相為具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的固溶體 Ca a6Nda26TiO3即 CNT 基料； 步驟 2 :將原材料 Li2C03、Nd203、TiO2粉體按摩爾比 Li 2C03:Nd203:Ti02= 0? 25:0. 25:1 進行配料，以酒精為介質(zhì)行星球磨3~7小時，烘干后以60目篩網(wǎng)過篩，于800°C~1200°C 預(yù)燒2~5小時，制得即LNT基料； 步驟3 :降燒劑的制備，將原材料La203、ZnO、H3B03、CaCO 3按質(zhì)量百分比44. 05 % 彡 La2O3彡 47. 47 %、1. 65 % 彡 ZnO 彡 5. 69 % 和 49. 57 % 彡 H 3B03彡 50. 56 %、0? 29 % 彡CaCO3S 0. 69 %配料，使用去離子水為球磨介質(zhì)，行星球磨3~12小時，烘干過篩，在 500°C~800°C下保溫2~8小時預(yù)燒，然后在IKKTC~1500°C保溫1~5小時熔融，再淬 火形成玻璃渣，將制備的玻璃渣再破碎球磨成降燒劑備用； 步驟4 :將步驟1-3制備的CNT基料、LNT基料和降燒劑按照質(zhì)量百分比39. 96% 彡CNT彡71. 11%、20. 24%彡LNT彡57. 66%、2. 38%彡降燒劑彡8. 65%進行混合，以酒精 為介質(zhì)行星球磨15_30min，取出后在100°C下烘干，添加劑量占原料總質(zhì)量2~5%的丙烯 酸溶液作為粘結(jié)劑造粒，壓制成型，最后在950°C~1025°C大氣氣氛中燒結(jié)1~4小時，制 成Ca-Nd-Ti體系中溫共燒陶瓷材料。
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子陶瓷及其制造領(lǐng)域，涉及電子材料技術(shù),尤其涉及一種中溫燒結(jié)CNT體系微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。該陶瓷的原料成分為質(zhì)量百分比39.96％～71.11％的Ca-Nd-Ti(CNT)、質(zhì)量百分比20.24％～57.66％的Li-Nd-Ti(LNT)和質(zhì)量百分比2.38％～8.65％的降燒劑。本發(fā)明制備的微波介質(zhì)陶瓷，其燒結(jié)溫度≤1000℃，介電常數(shù)(60～100)，Qxf(GHz):1500～2500和接近于零的τf(3～15)?？捎糜谥袦毓矡沾上到y(tǒng)、多層介質(zhì)諧振器、微波天線、濾波器等微波器件的制造。
【IPC分類】C04B35/63, C04B35/622, C04B35/465
【公開號】CN105130420
【申請?zhí)枴緾N201510533071
【發(fā)明人】李恩竹, 牛娜, 陳亞偉, 石燕, 鄒蒙瑩
【申請人】電子科技大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月27日