專利名稱：中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于電子信息材料與元器件的，尤其涉及一種中溫燒結(jié)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷。
背景技術(shù)：
微波應(yīng)用頻率正在向更高頻段發(fā)展，在毫米波亞毫米波頻段內(nèi)，具有適當介電常數(shù)和極高品質(zhì)因數(shù)的溫度穩(wěn)定性微波介質(zhì)陶瓷是制造毫米波微波無源器件的基礎(chǔ)。MgTiO3 陶瓷作為一種傳統(tǒng)的微波介質(zhì)材料，在毫米波段仍然具有其優(yōu)異的微波介電性能高的品質(zhì)因數(shù)(160，000GHz)，適當?shù)慕殡姵?shù)(17)，但燒結(jié)溫度高達1450°C，且燒結(jié)范圍窄。國內(nèi)外研究者做了諸多研究，以求降低MgTiO3基陶瓷的燒結(jié)溫度。朱?？仍贛gTiO3中加入 CaO-SiO2-B2O3等玻璃，來改善其燒結(jié)特性，研究發(fā)現(xiàn)在1240 1300°C之間MgTiO3可以燒結(jié)成瓷，介電性能為tgo 10_4GHz，er = 17.5, τ ε ^ -66ppm/°C。童建喜等人研究了添加Li2O-B2O3-SW2玻璃低溫燒結(jié)MgTiO3陶瓷，其預(yù)燒溫度為1100°C，添加20%質(zhì)量分數(shù)的玻璃時，燒結(jié)溫度降低至890°C，但微波介電性能不理想ε ^ = 16. 4，QXf = 11 640GHz， Tf^-L 5ppm/°C。私-Mei Miao利用溶膠凝膠法制備納米粉體，在1200°C燒結(jié)，得到性能較好的 MgTiO3 微波介質(zhì)陶瓷ε r = 16. 6, QXf = 42 600GHz，τ f ^ _41ppm/°C。Qi-Long Zhang等通過加入5mol %的Bi2O3-V2O5將燒結(jié)溫度降低至875°C，所得微波介電性能為ε r =20. 6, QXf = 10 420GHz。通過對上述研究的回顧，不難發(fā)現(xiàn)降低MgTiO3體系的燒結(jié)溫度一般需加入玻璃等燒結(jié)助劑，且得到的陶瓷體微波介電性能與體系本身相差較大。同時確定玻璃的配方以及制備玻璃的過程都十分復(fù)雜。以簡單的方法降低MgTiO3陶瓷的燒結(jié)溫度，并保持體系本身良好的微波介電性能一直是研究者追求的目標。聚乙烯醇(簡稱PVA)通常被用作粘合劑對陶瓷粉體進行造粒，其在球磨過程中對陶瓷粉體的分散作用尚未被廣泛研究。聚乙烯醇屬于高分子表面活性劑，它含有大量的羥基，可以用作分散劑。在二次球磨過程中加入適量 PVA粉末，可以起分散粉體的作用，提高球磨效率，在一定程度上細化粉體，進而降低陶瓷的燒結(jié)溫度。由于PVA同時起到粘合劑的作用，省去了傳統(tǒng)工藝中添加大量粘合劑造粒的環(huán)節(jié)，使得陶瓷體的密度顯著增大，微波介電性能有一定的改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是以簡單的方法降低MgTiO3陶瓷的燒結(jié)溫度，并保持體系本身良好的微波介電性能，本發(fā)明以MgO、TiO2為主要原料，加入聚乙烯醇粉末后，通過行星式球磨， 得到可以在中溫燒結(jié)成瓷的、具有極高品質(zhì)因數(shù)的MgTiO3基微波介質(zhì)陶瓷材料。本發(fā)明中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷，原料組分及其摩爾百分比含量為MgTiO3 ；制備步驟如下(1)將原料MgO，TiO2分別按MgTiO3的化學(xué)計量比稱量配料，再將上述粉料放入尼龍罐中，加入去離子水和鋯球，球磨6-M小時；(2)將步驟(1)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， 獲得顆粒均勻的陶瓷粉料；(3)將步驟(2)過篩后的陶瓷粉料放入坩堝中，在900°C下煅燒2-6小時；(4)將步驟(3)煅燒后的粉料稱量6_25g置于尼龍罐中，加入質(zhì)量百分比為 0. 5-2%的聚乙烯醇，而后加入去離子水和鋯球，球磨6-M小時；(5)將步驟(4)球磨后的原料置于干燥箱中于80-130°C烘干，烘干后過80目篩， 再用粉末壓片機以2_6MPa的壓力壓成生坯，將生坯于1120-1375°C燒結(jié)2_8小時，制得鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷；(6)將步驟( 制得的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷進行物理及介電性能檢測。所述步驟(1)的原料為純度大于99. 9%的分析純原料。所述步驟(1)、步驟⑷的料水球的質(zhì)量比為1:7:7。所述步驟的聚乙烯醇為粘合劑和分散劑，型號為1788。所述步驟(5)的燒結(jié)溫度為1140°C。所述步驟⑴優(yōu)選的球磨時間為12小時；所述步驟(2)、步驟(5)優(yōu)選的烘干溫度為110°C;所述步驟(3)優(yōu)選的煅燒時間為2小時；所述步驟(4)優(yōu)選的聚乙烯醇加入量為1%，球磨時間為12小時。本發(fā)明的有益效果是，通過在二次球磨時加入PVA粉末，在中溫1140°C燒結(jié)，成功制備了高性能MgTiO3基微波介質(zhì)陶瓷，其電常數(shù)、為17. 11 17. 95，品質(zhì)因數(shù)QXf為 210800 M3500GHZ，諧振頻率溫度系數(shù)τ f為-50 -40ppm/°C。本發(fā)明省去了傳統(tǒng)工藝的造粒環(huán)節(jié)，節(jié)省了時間成本和能源成本，生產(chǎn)過程更加環(huán)保，使得該類材料在微波通信方面應(yīng)用更加廣泛，推動了該體系材料的商業(yè)化應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的傳統(tǒng)工藝；圖2是本發(fā)明中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的改進工藝。
具體實施例方式本發(fā)明采用市售的純度大于99. 9%的分析純原料1%0，1102作為初始原料，采用改進的傳統(tǒng)燒結(jié)工藝制備鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷。實施例1依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，加入石蠟造粒，過篩 80目后，再用粉末壓片機以4ΜΙ^的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1140°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例2
依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°c下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0.09g的PVA(型號為1788)粉末，而后加入150ml 去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以的壓力壓成直徑10mm、 高度5mm生坯。將生坯于1140°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例3依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取99g、MgO 4. 03g配料，混合粉料放入尼龍罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 09g的PVA (型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度 5mm生坯。將生坯于1140°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例4依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取20g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 30g的PVA(型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1140°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例5依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 09g的PVA (型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度 5mm生坯。將生坯于1120°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例6依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 09g的PVA (型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以的壓力壓成直徑10mm、高度 5mm生坯。將生坯于1200°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例7依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 12g的PVA (型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度 5mm生坯。將生坯于1140°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例8依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取20g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 30g的PVA(型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1200°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。本發(fā)明實施例的各項關(guān)鍵參數(shù)及介電性能檢測結(jié)果詳見表1。表 權(quán)利要求
1.一種中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷，原料組分及其摩爾百分比含量為 MgTiO3；制備步驟如下(1)將原料MgO，TiO2分別按MgTiO3的化學(xué)計量比稱量配料，再將上述粉料放入尼龍罐中，加入去離子水和鋯球，球磨6-M小時；(2)將步驟(1)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，獲得顆粒均勻的陶瓷粉料；(3)將步驟(2)過篩后的陶瓷粉料放入坩堝中，在900°C下煅燒2-6小時；(4)將步驟C3)煅燒后的粉料稱量6-25g置于尼龍罐中，加入質(zhì)量百分比為0.5-2%的聚乙烯醇，而后加入去離子水和鋯球，球磨6-M小時；(5)將步驟(4)球磨后的原料置于干燥箱中于80-130°C烘干，烘干后過80目篩，再用粉末壓片機以2-6MPa的壓力壓成生坯，將生坯于1120-1375°C燒結(jié)2_8小時，制得鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷；(6)將步驟( 制得的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷進行物理及介電性能檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(1)的原料為純度大于99. 9%的分析純原料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(1)、步驟⑷的料水球的質(zhì)量比為1:7:7。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟的聚乙烯醇為粘合劑和分散劑，型號為1788。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述步驟(5)的燒結(jié)溫度為1140°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的中溫制備燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的Q值鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的方法， 其特征在于，所述步驟(1)優(yōu)選的球磨時間為12小時；所述步驟O)、步驟( 優(yōu)選的烘干溫度為110°C;所述步驟(3)優(yōu)選的煅燒時間為2小時；所述步驟(4)優(yōu)選的聚乙烯醇加入量為1%，球磨時間為12小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中溫燒結(jié)高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷，制備步驟為(1)將MgO，TiO2按MgTiO3的化學(xué)計量比稱量配料、球磨；(2)烘干、過篩；(3)900℃下煅燒；(4)加入聚乙烯醇二次球磨；(5)烘干，過篩，壓制成型，于1120℃-1375℃燒結(jié)；(6)物理及介電性能檢測。本發(fā)明通過加入聚乙烯醇后二次球磨，得到了1140℃中溫燒結(jié)、具有極高品質(zhì)因數(shù)的MgTiO3基微波介質(zhì)陶瓷材料，克服了現(xiàn)有技術(shù)高達1450℃燒結(jié)的缺點，使該體系陶瓷的應(yīng)用更廣泛，成本更低廉，生產(chǎn)過程更環(huán)保，為微波毫米波通信器件提供了理想材料。
文檔編號C04B35/622GK102219500SQ20111010559
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者丁響, 李玲霞 申請人:天津大學(xué)