一種具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鉀鈉磷酸鹽玻璃的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于玻璃材料技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種化學(xué)穩(wěn)定性好的具有高介電常數(shù)的電介 質(zhì)玻璃材料，具體設(shè)及一種具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃。
【背景技術(shù)】
[0002] 憐酸鹽玻璃因其其結(jié)構(gòu)單元[P04]存在結(jié)構(gòu)不對稱中屯、，一般化學(xué)穩(wěn)定性較差； 但其具有較低烙點(diǎn)，易于生產(chǎn)制作。K2〇、Na2〇等堿金屬氧化物也可降低玻璃的烙化溫度， 但同樣也會使玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性下降。理論上，通過K2〇、Na2〇同時(shí)混用，發(fā)生混合堿效應(yīng)可 提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性。此外，要使憐酸鐘鋼玻璃具有實(shí)用性，還可在憐酸鹽體系添加合適 氧化物，W提高其化學(xué)穩(wěn)定性。如過渡金屬氧化物有提高憐酸鹽玻璃的可能性。
[0003] 為實(shí)現(xiàn)電容器的小型化及高能存膽需要，需要高介電常數(shù)的電介質(zhì)材料。此外， 電子元器件在工作過程中會產(chǎn)生熱量。因此，高溫下具有高介電常數(shù)的材料有實(shí)際應(yīng)用價(jià) 值。玻璃及玻璃陶瓷是高溫條件下工作的電容器的重要可選材料之一。傳統(tǒng)地，鐵酸領(lǐng)電介 質(zhì)材料由于相變溫度限制，使用溫度不超過125度；而鐵酸鉛材料具有高的相變溫度（490 度)，但含鉛材料不符合環(huán)保要求和發(fā)展趨勢。研究表明，妮酸鐘鋼具有好的介電性能，因 此，在憐酸鐘鋼玻璃中添加五氧化二妮，W獲得高化學(xué)穩(wěn)定性的高溫介電材料的研究是很 有必要的。此外，憐酸鐘鋼玻璃中添加五氧化二妮也為玻璃中析出含鐘和/或鋼妮酸鹽或 妮憐酸鹽晶體，W提高材料介電性能創(chuàng)造條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常 數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃，通過少量原料組分及合理配比，即可制備得到同時(shí)具備高介電常數(shù) 和化學(xué)穩(wěn)定性的電介質(zhì)玻璃材料。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案如下： 一種具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃，其摩爾百分含量組成為： 胞2〇 10-25 % , K20 10-25 % , 佩2〇5 20-40 % , P2O5 30-50 〇/〇。
[0006] 優(yōu)選的，上述具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃，其摩爾百分含 量組成為： 胞2〇 10-20 %, K20 10-20% , 佩2〇5 25-35〇/〇， 口2〇5 30-40%。
[0007] 所述的，佩2〇5摩爾百分含量優(yōu)選25%。
[0008] 所述的，化2〇與K20摩爾比優(yōu)選
[0009] 最優(yōu)的，所述的具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃，其摩爾百分 含量組成為：化2〇 18%，KzO18 %，佩2〇525%，P2O539%。
[0010] 本發(fā)明具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃，原料組成為碳酸鋼 (化2C03)、碳酸鐘化2C03)、五氧化二妮（佩205)和憐酸二氨錠（畑4肥P04 )，其摩爾比依 次為 10-2日：10-2日：20-40 :30-50。
[0011] 本發(fā)明具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃，制備過程中，退火冷 卻后的玻璃再經(jīng)過熱處理，熱處理?xiàng)l件為：溫度670-865 °C，時(shí)間2-lOh。通過熱處理玻 璃樣品中會析出妮酸鐘鋼，或鐘、鋼的妮憐酸鹽晶體，介電性能提高； 所述的制備過程中，烙化溫度1300°C、時(shí)間1h，，退火溫度500°C、時(shí)間化。
[0012] 本發(fā)明具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃，熱處理后析出的晶體 主要為妮酸鐘鋼，或鐘、鋼的妮憐酸鹽晶體，具體包括KNbOP2〇7、NasNbPsOx、化。.3而.e卵〇3、 KNbs〇i4、Na4Nbs(Pe〇3日）、KNbsOi日P3、K2Nbs〇2i、K〇. 〇2Na〇. 9sNb〇3、KNbOi日P3、Nao.gsK〇. 〇2Nb〇3、KNbOsPz等。
[0013] 本發(fā)明具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃，30(TC時(shí)，其介電常數(shù) 分布為：1k化介電常數(shù)可達(dá)14014,對應(yīng)的介電損耗為0. 178aOOKHz介電常數(shù)可達(dá)5113， 對應(yīng)的介電損耗為0. 007 ;1M化介電常數(shù)可達(dá)54,對應(yīng)的介電損耗為0. 177 ;670°C熱處理 化后，lOOKHz介電常數(shù)可達(dá)8383,對應(yīng)的介電損耗為0. 00843。
[0014] 本發(fā)明技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為： 1) 本發(fā)明利用五氧化二妮對玻璃網(wǎng)絡(luò)的修飾作用及與K20和化20同時(shí)存在所發(fā)生的 混合堿效應(yīng)來提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，提供一種含妮鐘鋼的在高溫下具有高介電性能的玻 璃； 2) 本發(fā)明提供的高化學(xué)穩(wěn)定性實(shí)用憐酸鹽玻璃，組分少，配比合理，生產(chǎn)工藝簡單、操 作方便，易于工業(yè)化生產(chǎn)推廣和實(shí)施。
[0015] 3)通過熱處理，試樣析出妮酸鐘鋼，或鐘、鋼的妮憐酸鹽晶體，介電性能提高。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明，應(yīng)該明白的是，下述說明僅是 為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進(jìn)行限定。
[0017] 本發(fā)明下述實(shí)施例具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃，原料組 成為碳酸鋼（化2〔〇3)、碳酸鐘（K2CO3)、五氧化二妮（佩2〇5)和憐酸二氨錠（NH4H2PO4V其 摩爾比依次為10-25 :10-25 :20-40 :30-50，制備時(shí)技術(shù)條件為：烙化溫度1300°C、時(shí)間 1h，誘鑄成型，退火溫度500°C、時(shí)間化，退火冷卻后，熱處理?xiàng)l件為：溫度670-865;時(shí)間 2-lOho
[001引玻璃性能測試方法： 介電常數(shù)測定：樣品兩面涂覆銀漿電極，在安捷倫4294A阻抗儀上測量電容后計(jì)算 得到。表中介電性能數(shù)據(jù)為室溫（RT)和300°C下測得的。
[0019] 化學(xué)穩(wěn)定性采用顆粒在沸水中加熱，用測試前后的失重百分?jǐn)?shù)表示。測試條件： 顆粒尺寸0. 3-0. 6mm，98°C沸水浴中1小時(shí)。
[0020] 熱處理后析出的晶相由X畑粉末衍射分析確認(rèn)。
[0021]實(shí)施例 1-5 : 固定Na2〇與K20摩爾比為1 :1，摩爾百分含量均為15%;佩2化摩爾百分含量依次取20、 25、30、35、40 ;相應(yīng)的P2〇5摩爾百分含量依次取50、45、40、35、30，性能測試結(jié)果見表1。
[0022] 表1實(shí)施例1-5玻璃性能測試結(jié)果
由表1可見，五氧化二妮逐步取代組分中P2O5#量時(shí)，試樣沸水浴失重減小，化學(xué)穩(wěn)定 性增加，高溫介電常數(shù)也增加。
[0023]實(shí)施例6-11: 固定佩205摩爾百分含量20%，Na2〇與KzO摩爾比為1 :1 ;Na2〇+K2〇總摩爾百分含量依 次取20、26、36、40、46、50;相應(yīng)的口2〇5摩爾百分含量依次取60、54、44、40、34、30，性能測試 結(jié)果見表2。
[0024] 表2實(shí)施例6-11玻璃性能測試結(jié)果
由表2可見，固定佩2〇5 20mol%，Na2〇/K2〇比1 :1，WNa2〇+K2〇逐步取代組分中？2〇5含 量時(shí)，化20+K20總量從20增大至50mol%，介電常數(shù)先增大后減?。籒a2〇+K2〇總量為20,失 重最小，化學(xué)穩(wěn)定性最好，Na2〇+K2〇總量為36mol%，失重最大，化學(xué)穩(wěn)定性最差。
[00巧]實(shí)施例12-15 : 固定佩2〇5摩爾百分含量25%，Na2〇與K20摩爾比為1 :1 ;Na2〇+K2〇總摩爾百分含量依 次取20、26、36、40 ;相應(yīng)的P2化摩爾百分含量依次取55、49、39、35，性能測試結(jié)果見表3。 [0026] 表3實(shí)施例6-11玻璃性能測試結(jié)果
由表3可見，固定佩2〇525mol%，Na2〇/K2〇比1 :1，WNa2〇+K2〇逐步取代組分中？2〇5含 量時(shí)，介電常數(shù)增大；Na2〇+K2〇總量為20mol%時(shí)，失重最大，化學(xué)穩(wěn)定性最差，Na2〇+K2〇總 量為36mol%時(shí)，失重最小，化學(xué)穩(wěn)定性最好。
[0027]實(shí)施例 16-21 : 固定化20+K20總摩爾百分含量30%，胞2〇與K20摩爾比取1:2或2:1，性能測試結(jié)果見 表4。
[0028] 表4實(shí)施例16-21玻璃性能測試結(jié)果
由表4可見，固定胞2〇 +K20總量為30mol%，K20組分含量增多時(shí)介電常數(shù)變小。實(shí) 施例18的介電常數(shù)最大，損耗最?。慌?〇5為20mol%、化2〇 /%!〇比1:2時(shí)，失重最小，化學(xué) 穩(wěn)定性最高；佩2〇5為25mol%時(shí)，化2〇作2〇比2:1時(shí)，失重最大，化學(xué)穩(wěn)定性最差。
[0029] 綜上可見，本發(fā)明實(shí)施例制備的具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽 玻璃，其介電常數(shù)分布為：1kHz、300°C介電常數(shù)120-14014 ;100KHz、300°C介電常數(shù)197-5113 ;1MHz、300°C介電常數(shù)10-54。介電損耗分布為：1kHz、300°C介電損耗0.049-2. 562; 100KHz、300°C介電損耗 0. 002-0. 040 ;1MHz、300°C介電損耗0. 001-0. 509。化學(xué)穩(wěn)定性： 失重0. 009%-0. 625%。根據(jù)實(shí)施例1-21確定四種組分的優(yōu)選摩爾百分含量組成為：胞2〇 10- 20%，KzO10 - 20%，佩2〇525-35%，P2O530- 40〇/〇。
[0030]為了更好的說明本發(fā)明方案技術(shù)效果，選取9個(gè)實(shí)施例，舉例說明本發(fā)明具有高 化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鐘鋼憐酸鹽玻璃制備過程中的熱處理?xiàng)l件及處理后試樣性能， 結(jié)果見表5。
[0031] 表5實(shí)施例熱處理?xiàng)l件及處理后試樣性能
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于，摩爾百分含 量組成為： Na2O 10-25 % , K2O 10-25 % , Nb2O5 20-40 % , P2O5 30-50 % 。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于，摩爾百分含量組成為： Na2O 10- 20 % , K2O 10 - 20% , Nb2O5 25-35%, P2O5 30- 40%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于：Nb205摩爾百分含量為 25%〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于：所述的Na2O與K2O摩爾 比位 1:1-1:2。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于，摩爾百分含量組成為： Na2O18%，K2O18 %，Nb2O5 25%，P2O5 39%。6. 根據(jù)1-5任一權(quán)利要求所述的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于：原料組成為碳酸鈉、 碳酸鉀、五氧化二銀和磷酸二氫銨，其摩爾比依次為10-25:10-25:20-40:30-50。7. 根據(jù)1-5任一權(quán)利要求所述的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于：制備過程中，退火冷卻 后的玻璃再經(jīng)過熱處理，熱處理?xiàng)l件為溫度670-865 °C，時(shí)間2-10h。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于：所述的制備過程中，熔化溫度 1300°C、時(shí)間Ih，退火溫度500°C、時(shí)間2h。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于：熱處理后析出的晶體為鈮酸 鉀鈉，或鉀、鈉的鈮磷酸鹽晶體。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于：300°C時(shí)，其介電常數(shù)分布 為：1kHz介電常數(shù)可達(dá)14014,對應(yīng)的介電損耗為0. 178 ;IOOKHz介電常數(shù)可達(dá)5113,對 應(yīng)的介電損耗為0.007 ;1MHz介電常數(shù)可達(dá)54,對應(yīng)的介電損耗為0. 177 ;670°C熱處理6h 后，IOOKHz介電常數(shù)可達(dá)8383,對應(yīng)的介電損耗為0. 00843。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)的鉀鈉磷酸鹽玻璃，其特征在于，摩爾百分含量組成為：Na2O10-25%,K2O10-25%,Nb2O520-40%，P2O530-50%。本發(fā)明利用五氧化二鈮對玻璃網(wǎng)絡(luò)的修飾作用及與K2O和Na2O同時(shí)存在所發(fā)生的混合堿效應(yīng)來提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，提供一種含鈮鉀鈉的在高溫下具有高介電性能的玻璃；通過熱處理，試樣析出鈮酸鉀鈉，或鉀、鈉的鈮磷酸鹽晶體，介電性能提高；本發(fā)明提供的高化學(xué)穩(wěn)定性實(shí)用磷酸鹽玻璃，組分少，配比合理，生產(chǎn)工藝簡單、操作方便，易于工業(yè)化生產(chǎn)推廣和實(shí)施。
【IPC分類】C03C3/16
【公開號】CN105198210
【申請?zhí)枴緾N201510562275
【發(fā)明人】劉世權(quán), 愛特菲
【申請人】濟(jì)南大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年9月7日