一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法，配方的化學(xué)組成表達(dá)式為：Li2ATi3O8+B2O3，其中A為Zn,Mg,Co,Ni離子中的一種，所述B2O3的添加量相當(dāng)于Li2ATi3O8的xwt%，其中1.0≤x≤2.50；該陶瓷的制備工藝依次如下：首先將Li2CO3、ZnO、MgO、CoO、NiO和TiO2粉末按配方通式Li2ATi3O8的化學(xué)計(jì)量比配制基料，其中A為Zn,Mg,Co,Ni離子中的一種，然后直接加入相當(dāng)于基料重量1%～2.5%的B2O3粉末，經(jīng)過(guò)球磨、壓制成型、反應(yīng)燒結(jié)得到產(chǎn)品；產(chǎn)品燒結(jié)溫度可降至900℃以下，相對(duì)介電常數(shù)εr在22～26.5內(nèi)可調(diào)，品質(zhì)因數(shù)Qf為21000～63400GHz，諧振頻率溫度系數(shù)τf在-16.0～7.0ppm/℃內(nèi)可調(diào)，可以應(yīng)用于制造片式多層微波器件，將使該類材料在微波通信方面的應(yīng)用范圍更加廣泛。
【專利說(shuō)明】一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子陶瓷及其制備領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰基低溫?zé)Y(jié)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)用于微波頻段，主要是UHF、SHF頻段的電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷材料，是現(xiàn)代通信領(lǐng)域中廣泛使用的諧振器、濾波器、介質(zhì)基板、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件的關(guān)鍵材料。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(duì)元器件的小型化、集成化和模塊化的要求日益迫切，低溫共燒陶瓷LTCC(LowTemperature Co-firedCeramics)技術(shù)因其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)、工藝特性以及高可靠性，已經(jīng)成為電子器件模塊化的主要技術(shù)之一。與其它集成技術(shù)相比，LTCC技術(shù)具有燒結(jié)溫度低，可用電阻率低的金屬作為多層布線的導(dǎo)體材料，可以提高組裝密度、信號(hào)傳輸速度，并且可內(nèi)埋于多層基板一次燒成的各種層式微波電子器件等優(yōu)點(diǎn)。LTCC技術(shù)需要微波介質(zhì)陶瓷能與高導(dǎo)電率低熔點(diǎn)的金屬Ag、Cu內(nèi)電極共燒，因此，微波介質(zhì)陶瓷材料的低溫?zé)Y(jié)已成為研究熱點(diǎn)。大多數(shù)商用的微波介質(zhì)陶瓷雖然具有較好的微波介電性能，但是其燒結(jié)溫度很高(一般高于1200°C)，因此必須研發(fā)固有燒結(jié)溫度較低的微波介質(zhì)陶瓷以滿足LTCC工藝的要求。
[0003]Li2ATi3O8 (A=Zn, Mg, Co, Ni離子中的一種)基陶瓷的燒結(jié)溫度通常在1100°C左右，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ墓逃袩Y(jié)溫度較低的微波介質(zhì)陶瓷體系。2010年，S.George等人首次報(bào)道了 Li2ZnTi3O8和Li2MgTi3O8體系的燒結(jié)特性和微波介電性能。2011年，F(xiàn)angLiang等人首次報(bào)道了 Li2CoTi3O8體系的燒結(jié)特性和微波介電性能。這些體系的陶瓷均具有較低的燒結(jié)溫度和優(yōu)異的微波介電性能，且在經(jīng)過(guò)煅燒后通過(guò)添加少量的燒結(jié)助劑如B203、Bi203、Zn0-B203玻璃粉、ZnO-B2O3-SiO2玻璃粉和ZnO-La2O3-B2O3玻璃粉等，即能將它們的最終燒結(jié)溫度降低至900°C左右，滿足了 LTCC工藝技術(shù)的要求。但是由于燒結(jié)助劑的加入會(huì)降低陶瓷材料的致密度，因此其微波介電性能會(huì)下降較多。[0004]目前制備上述鋰基微波介質(zhì)陶瓷時(shí)，采用的都是傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法，該方法工藝過(guò)程較復(fù)雜，需經(jīng)過(guò)煅燒+最終燒結(jié)兩個(gè)階段，燒結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，能耗較高，且由于工藝環(huán)節(jié)較多，易帶入雜質(zhì)，從而影響材料的性能。反應(yīng)燒結(jié)是一種簡(jiǎn)單的燒結(jié)方法，原料粉末的反應(yīng)和致密化在一次燒結(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)，省去了傳統(tǒng)制備方法中煅燒和二次球磨工序，可以簡(jiǎn)化制備工序，降低生產(chǎn)成本和能耗，減少生產(chǎn)過(guò)程中帶入的雜質(zhì)。由于反應(yīng)燒結(jié)中粉末未經(jīng)過(guò)煅燒階段，因此采用反應(yīng)燒結(jié)法制備致密度較高的陶瓷時(shí)，對(duì)原料粉體的純度和粒度的要求較高，或需要高的反應(yīng)溫度。當(dāng)采用反應(yīng)燒結(jié)法制備單相Li2ATi3O8 (A=Zn, Mg, Co, Ni離子中的一種)基陶瓷時(shí)，由于反應(yīng)溫度較高，L1、Zn元素易揮發(fā)，產(chǎn)生氣孔，且燒結(jié)過(guò)程中Li2CO3原料分解產(chǎn)生CO2氣體會(huì)降低燒結(jié)體的致密度，因此采用反應(yīng)燒結(jié)法直接制備出的單相Li2ATi3O8 (A=Zn，Mg, Co, Ni離子中的一種)基陶瓷致密度一般較低，導(dǎo)致其微波介電性能也相應(yīng)的下降。隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)計(jì)一種微波介電性能優(yōu)異，質(zhì)量穩(wěn)定性好的鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法，以滿足市場(chǎng)需求，是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]解決的技術(shù)問(wèn)題:
[0006]本申請(qǐng)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的工藝復(fù)雜、能耗較高、微波介電性能和質(zhì)量穩(wěn)定性差等技術(shù)問(wèn)題，提供一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法。
[0007]技術(shù)方案:
[0008]一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料，其配方的化學(xué)組成表達(dá)式為:Li2ATi308+B203，其中A為Zn，Mg, Co, Ni離子中的一種，所述B2O3的添加量相當(dāng)于Li2ATi3O8的xwt%，其中 1.0 ≤ X ≤2.5。
[0009]一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，步驟為:
[0010]第一步，配料:將Li2C03、A0和TiO2粉末按配方通式Li2ATi3O8的化學(xué)計(jì)量比配制基料，其中A為Zn，Mg, Co, Ni離子中的一種，然后直接加入相當(dāng)于基料重量1%~2.5%的B2O3粉末，得混合料；
[0011]第二步，球磨:將混合料置于行星式球磨機(jī)中濕法球磨12~24小時(shí)，所述行星式球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300rpm ；
[0012]第三步,加 入成型劑、造粒:加入混合料重量5~8wt%的濃度為5wt%的聚乙烯醇水溶液，干燥后過(guò)篩造粒；
[0013]第四步，壓制成型:在壓力機(jī)上，以100~150MPa的壓力壓成坯體；
[0014]第五步，脫除成型劑、燒結(jié):將坯體在高溫箱式電爐中以1.5°C /min的升溫速率升至550°C并保溫4小時(shí)以脫除聚乙烯醇成型劑，隨后升溫至800~900°C燒結(jié)4~8小時(shí)，即得到鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0015]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述第三步中的過(guò)篩是經(jīng)40-60目的篩網(wǎng)過(guò)篩。
[0016]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述第四步中坯體的形狀為圓柱體。
[0017]有益效果:
[0018]本發(fā)明所述一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法采用以上技術(shù)方案和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:1、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、省去了傳統(tǒng)制備方法中煅燒和二次球磨工序，簡(jiǎn)化了制備工序，降低生產(chǎn)成本和能耗,并且減少生產(chǎn)過(guò)程中帶入的雜質(zhì)；2、原料成本低廉、燒結(jié)溫度低于900°C;3、燒結(jié)過(guò)程中B2O3直接同原料粉末進(jìn)行混合，B2O3在隨后的反應(yīng)燒結(jié)過(guò)程中與原料中的Li2CO3和ZnO等粉末反應(yīng)形成低共熔化合物，在較低溫度下形成液相，不僅縮短了物質(zhì)擴(kuò)散的距離，促進(jìn)了主晶相的合成，而且可以填充氣體逸出后殘留的氣孔，促進(jìn)致密化過(guò)程的進(jìn)行，最終通過(guò)低溫反應(yīng)燒結(jié)即可得到高致密度的陶瓷產(chǎn)品，且產(chǎn)品中沒(méi)有第二相的生成；4、產(chǎn)品微波介電性能優(yōu)異，相對(duì)介電常數(shù)％在22~26.5內(nèi)可調(diào)，品質(zhì)因數(shù)Qf為21000~63400GHz，諧振頻率溫度系數(shù)τ f在-16.0~7.0ppm/°C內(nèi)可調(diào)；5、產(chǎn)品微波介電性能和質(zhì)量穩(wěn)定性好，可以應(yīng)用于制造片式多層微波器件，從而廣泛生產(chǎn)并不斷代替現(xiàn)有材料。
【具體實(shí)施方式】:[0019]以下結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)效果。
[0020]表1是十二種成分配方的混合料。
[0021]表1十二種混合料的成分配比
【權(quán)利要求】
1.一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于:所述鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料配方的化學(xué)組成表達(dá)式為:Li2ATi308+ B2O3，其中A為Zn，Mg，Co，Ni離子中的一種，所述B2O3的添加量相當(dāng)于Li2ATi3O8的X wt%，其中1.0≤x≤2.5.
2.一種制備權(quán)利要求1所述鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料的方法，其特征在于包括如下步驟: 第一步，配料:將Li2C03、A0和TiO2粉末按配方通式Li2ATi3O8的化學(xué)計(jì)量比配制基料，其中A為Zn，Mg, Co, Ni離子中的一種，然后直接加入相當(dāng)于基料重量1%~2.5%的B2O3粉末，得混合料； 第二步，球磨:將混合料置于行星式球磨機(jī)中濕法球磨12~24小時(shí)，所述行星式球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300rpm ； 第三步,加入成型劑、造粒:加入混合料重量5~8wt%的濃度為5wt%的聚乙烯醇水溶液，干燥后過(guò)篩造粒； 第四步，壓制成型:在壓力機(jī)上，以100~150MPa的壓力壓成坯體； 第五步，脫除成型劑、燒結(jié):將坯體在高溫箱式電爐中以1.50C /min的升溫速率升至550°C并保溫4小時(shí)以脫除聚乙烯醇成型劑，隨后升溫至800~900°C燒結(jié)4~8小時(shí)，即得到鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種制備鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料的方法，其特征在于:所述第三步中的過(guò)篩是經(jīng)40-60目的篩網(wǎng)過(guò)篩。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種制備鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料的方法，其特征在于: 所述第四步中坯體的形狀為圓柱體。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK103896579SQ201410105845
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】鄭勇, 呂學(xué)鵬, 董作為 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)