一種氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。該氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷包括氧化鋁、氧化釔、氧化鋯和CMS混合物，氧化鋁的質(zhì)量百分比為95％～98％，氧化釔的質(zhì)量百分比為0.25％～0.75％，氧化鋯的質(zhì)量百分比為0％～3％，CMS混合物的質(zhì)量百分比為1.25％～3.25％；CMS混合物包括氧化鎂、氧化鈣和氧化硅，氧化鎂的質(zhì)量百分比為18.6％，氧化鈣的質(zhì)量百分比為50.1％～56.0％，氧化硅的質(zhì)量百分比為25.4％～31.3％。制備方法為：按配比將氧化鋁、氧化釔、氧化鋯和CMS混合物混合，球磨烘干、造粒并壓成坯片，排膠燒結(jié)制得陶瓷。通過添加組合氧化物，使陶瓷有高微波介電性能和高耐擊穿強(qiáng)度。
【專利說明】
-種氧化錯(cuò)微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬功能材料領(lǐng)域，具體設(shè)及一種氧化侶微波介質(zhì)陶瓷及其制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氧化侶陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、電阻率高、電絕緣性好、硬度和烙點(diǎn)高、抗腐蝕性好、 化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子電力、化工、醫(yī)學(xué)、建筑W及其它的高科技領(lǐng) 域。由于氧化侶陶瓷具有低的介電常數(shù)、低的介電損耗和高的熱導(dǎo)率，是一種理想的低介電 常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料，在電子線路封裝的陶瓷基板、介質(zhì)諧振天線等器件方面具有重要 的用途。近年來，微波介質(zhì)陶瓷因其介電性能的高頻穩(wěn)定性好，耐擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，成為了大功 率固體微波脈沖形成線較為理想的候選材料。
[0003] 目前，對(duì)氧化侶陶瓷微波介質(zhì)陶瓷性能的改善主要集中于優(yōu)化其微波介電性能或 者優(yōu)化其耐壓性能。
[0004] (1)陶瓷微波介電性能的影響因素主要包括密度、氣孔率、顯微結(jié)構(gòu)等。純氧化侶 陶瓷晶體晶格能較大，擴(kuò)散系數(shù)小，制備時(shí)其燒結(jié)溫度達(dá)到165(TCW上，在燒結(jié)過程中易發(fā) 生晶粒的異常長大，結(jié)構(gòu)不均勻，使其微波性能惡化。通過滲雜Ti化可W降低氧化侶陶瓷的 燒結(jié)溫度，并調(diào)節(jié)氧化侶陶瓷的頻率溫度系數(shù)值，但燒結(jié)過程中易形成AhTiOs，造成調(diào)節(jié)效 果不明顯。通過添加 M0(M=Cu，Zn，Mn)等可W抑制AhTiOs的生成，并取得了較好的效果，例 如通過添加0.4mol %MnO制備的0.9Al2〇3-〇. lTi〇2陶瓷微波介電性能優(yōu)異，Tf = +〇 . 4郵m/ °C，Qf = 274,00(X；Hz，er=12.4。
[0005] (2)在提高氧化侶陶瓷的耐壓性能方面，主要是通過添加燒結(jié)助劑提高陶瓷的致 密性來提高陶瓷的擊穿電壓。但由于受組分變化、樣品厚度、電極形狀W及測(cè)試條件的影 響，文獻(xiàn)報(bào)道的性能水平相差比較大，一般在10~40kV/mm的范圍之間變化。通過采用化0、 MgO、Si化、Na2〇、Zr〇2等中的一種或幾種復(fù)合形成燒結(jié)添加劑，可W有效促進(jìn)致密化燒結(jié)，獲 得較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，達(dá)到15~20kV/mm。
[0006] 由于添加化0、Mg0、Si化等助烙劑的添加會(huì)惡化氧化侶陶瓷的微波介電性能，顯著 降低氧化侶陶瓷的Qf值，所W在獲得兼顧高微波介電性能和高耐壓性能的氧化侶微波介電 陶瓷十分困難，不利于氧化侶微波介質(zhì)陶瓷在大功率微波脈沖形成線的應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明通過組合氧化物添加劑對(duì)氧化侶微波介質(zhì)陶瓷的優(yōu)化，可W獲得高微波介 電性能并兼顧高耐壓性能的氧化侶微波介質(zhì)陶瓷材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明提供了一種氧化侶微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法，旨在解決 現(xiàn)有技術(shù)中由于助烙劑的添加導(dǎo)致不能獲得兼顧高微波介電性能和高耐壓性能的氧化侶 微波介電陶瓷。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)：
[0010] 本發(fā)明提供一種氧化侶微波介質(zhì)陶瓷材料，包括氧化侶(Ab化）、氧化錠化）、氧 化錯(cuò)（Zr〇2)W及CMS混合物；其中Al2〇3的質(zhì)量百分比為95%~98%，Y203的質(zhì)量百分比為 0.25 %~0.75 %，Zr〇2的質(zhì)量百分比為0 %~3 %，CMS混合物的質(zhì)量百分比為1.25~ 3.25%。
[0011] 進(jìn)一步地，所述CMS混合物包括氧化巧(CaO)、氧化儀(MgO) W及氧化娃(Si〇2)，MgO 的質(zhì)量百分比為18.6%，CaO的質(zhì)量百分比為50.1 %~56.0%，Si〇2的質(zhì)量百分比為25.4% ~31.3%。
[0012] 本發(fā)明所述的氧化侶微波介質(zhì)陶瓷的制備方法為：
[0013] (1)將質(zhì)量百分比為95%~98%粒徑在1~化m的氧化侶粉體、質(zhì)量百分比為 0.25%~0.75%的氧化錠粉體、質(zhì)量百分比為0%~3%的氧化錯(cuò)粉體和質(zhì)量百分比為 1.25 %~3.25 %的CMS混合物粉體滲雜后得到混合物粉體；
[0014] (2)將上述混合物粉體濕法球磨、烘干、造粒并壓制成巧片，排膠燒結(jié)制得氧化侶 微波介質(zhì)陶瓷。
[0015] 進(jìn)一步地，在步驟（1)之前還包括CMS混合物粉體制備步驟：將質(zhì)量百分比為 64.2%~69.5%的碳酸巧、質(zhì)量百分比為12.9%~13.3%的氧化儀和質(zhì)量百分比為17.6% ~22.5 %的氧化娃混合后在900 °C~1000 °C般燒化~化。
[0016] 進(jìn)一步地，步驟(2)中濕法球磨時(shí)間為化~化。
[0017]進(jìn)一步地，步驟(2)中使用質(zhì)量百分比為7%~8%的聚乙締醇造粒。
[0018] 進(jìn)一步地，步驟(2)中將混合物粉體在50MPa~lOOMPa壓成巧片。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟(2)中在氧氣氣氛中600°C~650°C排膠化~化。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟(2)中時(shí)將巧片在空氣氣氛中1500°C~1600°C下燒結(jié)，并保溫化~ 4h，制得氧化侶微波介質(zhì)陶瓷。
[0021] 本發(fā)明通過添加氧化物和調(diào)整氧化物成分配比，可W獲得兼顧高微波介電性能和 高耐壓性能的氧化侶微波介質(zhì)陶瓷;CMS混合物作為助燒劑能夠降低陶瓷的燒結(jié)溫度，提高 陶瓷致密度，提高陶瓷的耐壓性能，將氧化錯(cuò)與氧化錠同時(shí)添加，氧化錠固溶到氧化錯(cuò)中會(huì) 起到穩(wěn)定晶格消除裂紋的作用，可W較大程度提高材料的耐壓;將CMS混合物與氧化錠、氧 化錯(cuò)按特定配比組合添加到氧化侶陶瓷中，較大程度上改善氧化侶陶瓷的致密度，減少氣 孔率，降低了 CMS混合物由于本身微波介電性能較低而惡化陶瓷的微波介電性能的影響，提 高陶瓷材料的微波介電性能。
【附圖說明】
[0022] 圖1為實(shí)施例8在1500°C燒結(jié)陶瓷樣品的SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0024] 本發(fā)明實(shí)施例中氧化侶微波介質(zhì)陶瓷，包括Al2〇3、Υ2〇3、Zr〇2 W及CMS混合物;其中 Ah化的質(zhì)量百分比為95%~98%，&化的質(zhì)量百分比為0.25%~0.75%，Zr〇2的質(zhì)量百分比 為ο %~3 %，CMS混合物的質(zhì)量百分比為1.25~3.25%。其中，所述混合物由CaO、MgO w及 Si〇2構(gòu)成，MgO的質(zhì)量百分比為18.6%，CaO的質(zhì)量百分比為50.1 %~56.0%，Si〇2的質(zhì)量百 分比為25.4%~31.3%。
[0025] 本發(fā)明實(shí)施例提供的氧化侶微波介質(zhì)陶瓷由于滲雜了 Y2化、Zr〇2W及CMS混合物， 使之可W獲得兼顧高微波介電性能和的耐壓性能的氧化侶微波介質(zhì)陶瓷。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施例提供的制備上述氧化侶微波介質(zhì)陶瓷的方法包括制備CMS混合物、 混料球磨、造粒、壓片、排膠燒結(jié)等工藝步驟，通過添加 CMS混合物作為助燒劑，可W將陶瓷 的溫度降低到1650°CW下，提高陶瓷的致密度，通過組合添加 CMS混合物、Υ2〇3與化〇2,降低 了CMS混合物惡化陶瓷的微波介電性能的影響，較大程度上改善氧化侶陶瓷的致密度，減少 氣孔率，提高了氧化侶微波介電陶瓷的微波介電性能；同時(shí)，氧化侶陶瓷中添加 Zr化，可W 抑制晶粒的過分長大，細(xì)化晶粒，提高陶瓷的致密度。但由于Zr化在高溫1200°C時(shí)會(huì)發(fā)生單 斜到四方的結(jié)構(gòu)相變，較大的體積變化會(huì)導(dǎo)致氧化錯(cuò)中產(chǎn)生微裂紋，耐壓性能無法得到顯 著提高。氧化錯(cuò)與氧化錠同時(shí)添加，氧化錠固溶到氧化錯(cuò)中會(huì)起到穩(wěn)定晶格消除裂紋的作 用，可W較大程度提高材料的耐壓。
[0027] 本發(fā)明的氧化侶微波介質(zhì)陶瓷的制備方法包括如下步驟：
[002引 （1)將質(zhì)量百分比為64.2%~69.5%的碳酸巧、質(zhì)量百分比為12.9%~13.3%的 氧化儀和質(zhì)量百分比為17.6%~22.5%的氧化娃混合后在900°C~1000°C般燒化~化，得 到CMS混合物粉體，用作助燒劑；
[0029] (2)將質(zhì)量百分比為95%~98%粒徑在1~化m的氧化侶粉體、質(zhì)量百分比為 0.25%~0.75%的氧化錠粉體、質(zhì)量百分比為0%~3%的氧化錯(cuò)粉體和質(zhì)量百分比為 1.25 %~3.25 %的CMS混合物粉體滲雜后得到混合物粉體，將混合物粉體濕法球磨化~化， 并烘干；
[0030] (3)向烘干后的混合物粉體中加入質(zhì)量百分比為7%~8%的聚乙締醇造粒，在 50MPa~lOOMPa壓成巧片，之后在氧氣氛中600°C~650°C排膠化~化；
[0031] (4)將巧片在空氣氣氛中1500°C~1600°C下燒結(jié)，保溫化~地，制得氧化侶微波介 質(zhì)陶瓷。
[0032] 實(shí)施例1~9
[0033] 選擇粒徑在1~2μπι的Al2〇3粉體為原料;將質(zhì)量百分比為69.5 %的化C〇3、質(zhì)量百分 比為12.9%的MgO、質(zhì)量百分比為17.6%的Si化球磨混合后，混合物在900°C般燒化，得到 CMS混合物粉體;將Al2〇3粉體的質(zhì)量百分比固定在98%，將Y2化粉末的質(zhì)量百分比固定在 0.25%，剩余的為Zr化和CMS混合物，當(dāng)Zr化的質(zhì)量百分比為0%時(shí)，CMS混合物的質(zhì)量百分比 1.75 %，當(dāng)化〇2的質(zhì)量百分比為0.25 %時(shí)，CMS混合物的質(zhì)量百分比1.5 %，當(dāng)化〇2的質(zhì)量百 分比為0.5%時(shí)，CMS混合物的質(zhì)量百分比1.25%，如表1所示，分別對(duì)應(yīng)于實(shí)施1~3，按配比 將Al2〇3、Υ2〇3、Zr〇2和CMS混合物混合后，加入去離子水球磨化后烘干;將烘干后的材料中加 入質(zhì)量百分比為7 %的聚乙締醇造粒，之后在氧氣氛中600°C排膠化;在50M化壓成Φ 12mm X 6mm或Φ 18mm X 1.2mm昆片，將巧片在空氣氣氛中1500°C下燒結(jié)，保溫化，制得氧化侶微波介 質(zhì)陶瓷。
[0034] 選擇粒徑在1~2μπι的Al2〇3粉體為原料;將質(zhì)量百分比為66.8 %的化C〇3、質(zhì)量百分 比為13.1 %的MgO與質(zhì)量百分比為20.1 %的Si化混合球磨后，混合物在950°C般燒化，得到 CMS混合物粉體;將Al2〇3粉體的質(zhì)量百分比固定在97%，將Υ2化粉末的質(zhì)量百分比固定在 0.5%，剩余的為Zr化和CMS混合物，當(dāng)Zr化的質(zhì)量百分比為0.25%時(shí)，CMS混合物的質(zhì)量百分 比2.25 %，當(dāng)化化的質(zhì)量百分比為0.5 %時(shí)，CMS混合物的質(zhì)量百分比2 %，當(dāng)Zr化的質(zhì)量百分 比為1 %時(shí)，CMS混合物的質(zhì)量百分比1.5%，如表1所示，分別對(duì)應(yīng)于實(shí)施4~6,按配比將 Ab化、Y2〇3、Zr〇2和CMS混合物混合后，加入去離子水球磨化后烘干;將烘干后的材料中加入 質(zhì)量百分比為7%的聚乙締醇造粒，之后在氧氣氛中650°C排膠化;在70M化壓成Φ 12mmX 6mm或Φ 18mm X 1.2mm昆片，將巧片在空氣氣氛中1550°C下燒結(jié)，保溫4h，制得氧化侶微波介 質(zhì)陶瓷。
[0035] 選擇粒徑在1~2μπι的Al2〇3粉體為原料;將粉末狀的質(zhì)量百分比為64.2%的化0)3、 質(zhì)量百分比為13.3%Mg0、質(zhì)量百分比為22.5%的Si化球磨混合后在1000°C般燒化，得到 CMS混合物粉體;將Al2〇3粉體的質(zhì)量百分比固定在95%，將Y2化粉末的質(zhì)量百分比固定在 0.75%，剩余的為Zr化和CMS混合物，當(dāng)Zr化的質(zhì)量百分比為1 %時(shí)，CMS混合物的質(zhì)量百分比 3.25 %，當(dāng)化化的質(zhì)量百分比為2 %時(shí)，CMS混合物的質(zhì)量百分比2.25 %，當(dāng)Zr化的質(zhì)量百分 比為3%時(shí)，CMS混合物的質(zhì)量百分比1.25%，如表1所示，分別對(duì)應(yīng)于實(shí)施7~9，按配比將 Ab化、Y2〇3、Zr〇2和CMS混合物混合后，加入去離子水球磨化后烘干;將烘干后的材料中加入 質(zhì)量百分比為8%的聚乙締醇造粒，之后在氧氣氛中650°C排膠加;在lOOMPa壓成直徑和高 度為Φ 12mmX 6mm或Φ 18mmX 1.2mm圓柱狀巧片，將巧片在空氣氣氛中1600°C下燒結(jié)，保溫 4h，制得氧化侶微波介質(zhì)陶瓷樣品。
[0036] 在本發(fā)明實(shí)施例中，將采用上述方法制備的壓電陶瓷進(jìn)行如下的性能測(cè)試：
[0037] (1)微波介電性能測(cè)試:將〇12mmX6mm氧化侶微波介質(zhì)陶瓷樣品兩端打磨平整 后，利用平行板諧振法測(cè)試氧化侶微波介質(zhì)陶瓷的微波介電性能。
[0038] (2)耐壓性能測(cè)試:將OlSmmX 1.2mm氧化侶微波介質(zhì)陶瓷樣品利用拋光機(jī)拋光到 1mm左右，經(jīng)過超聲清洗，烘干，兩端涂覆中溫銀漿，550° C保溫15分鐘，燒制成銀電極，利用 電壓擊穿測(cè)試儀測(cè)試耐壓性能，測(cè)試過程中的升壓速率為0.5KV/mm，每組樣品取10個(gè)，測(cè)試 耐壓，并取平均值。
[0039] (3)密度測(cè)量:對(duì)陶瓷樣品進(jìn)行超聲清洗，烘干，用高精密電子天平測(cè)量樣品質(zhì)量， 用阿基米德排水法測(cè)試陶瓷樣品的體積，根據(jù)樣品質(zhì)量與體積計(jì)算出樣品密度。
[0040] 由表1可知，當(dāng)Al2〇3和Y2化含量一定，Zr〇2含量增加，CMS含量減少，致密度增加，耐 壓性能Eb和Qf值均增力日;對(duì)于Al2〇3質(zhì)量百分比在95%~98%范圍內(nèi)變化時(shí)，不同滲雜，介電 常數(shù)Er在9左右變化不大，但總的趨勢(shì)是化化和Y2化同時(shí)增大，有利于耐壓性能Eb和Qf值的顯 著提高，運(yùn)說明CMS、化化和Y2化按一定比例滲雜，有利于晶粒細(xì)化提高陶瓷致密度，減少氣 孔率，同時(shí)Y2化能穩(wěn)定Zr化的結(jié)構(gòu)，減少微裂紋的產(chǎn)生，顯著提高陶瓷的耐壓性能和微波介 電性能。
[0041 ]圖1是實(shí)施例8在1500°C燒結(jié)陶瓷樣品的SEM照片，從圖中可W看出，Υ2〇3、Zr化和 CMS混合物的加入，氣孔少，晶粒大小均勻，致密度高，陶瓷樣品的耐壓性能達(dá)到42.6kV/mm， 陶瓷樣品的Qf達(dá)到了 24895GHz。
[00創(chuàng)對(duì)比例：
[0043]選擇粒徑在1~2皿左右的氧化侶粉體為原料，在氧化侶粉體中加入質(zhì)量百分比為 7%的聚乙締醇造粒，在空氣氛圍中1600°C下燒結(jié)，保溫3小時(shí)，燒制得氧化侶陶瓷，其Er = 9.93，Qf = 5193GHz，Tf = -61.化pm/ °C，耐壓性能為22.8kV/mm。
[0044] 綜上所述，本發(fā)明采用組合氧化物滲雜能較大幅度提高氧化侶陶瓷的微波性能和 耐壓性能。通過抑制晶粒生長，減少氣孔率，提高陶瓷致密度，降低材料的微波介質(zhì)損耗，提 高材料的Qf值，從而顯著提高陶瓷的微波介電性能。Υ2〇3能穩(wěn)定Zr化的結(jié)構(gòu)，減少微裂紋的 產(chǎn)生，小晶?？蒞獲得較大面積的晶界，提供了少量載流子的遷移通道，不容易在晶粒中局 部積累，從而顯著提高陶瓷的耐壓性能。
[0045] 表1為實(shí)施例1~9中氧化侶微波介質(zhì)陶瓷各組成質(zhì)量百分比、微波介電性能、耐壓 性能W及密度
[0046]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，包括氧化鋁、氧化釔、氧化鋯和CMS混合物， 其中氧化鋁的質(zhì)量百分比為95%~98%，氧化釔的質(zhì)量百分比為0.25%~0.75%，氧化鋯 的質(zhì)量百分比為〇%~3%，CMS混合物的質(zhì)量百分比為1.25%~3.25%。2. 如權(quán)利要求1所述的一種氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，其中所述CMS混合物包 括氧化鎂、氧化鈣和氧化硅，氧化鎂的質(zhì)量百分比為18.6%，氧化鈣的質(zhì)量百分比為50.1 % ~56.0%，氧化硅的質(zhì)量百分比為25.4%~31.3%。3. -種制備如權(quán)利要求1或2所述的氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，包括如 下步驟： (1) 將質(zhì)量百分比為95%~98%粒徑在1~2μπι的氧化鋁粉體、質(zhì)量百分比為0.25%~ 0.75 %的氧化釔粉體、質(zhì)量百分比為0 %~3 %的氧化鋯粉體和質(zhì)量百分比為1.25 %~ 3.25 %的CMS混合物粉體摻雜后得到混合物粉體； (2) 將上述混合物粉體濕法球磨、烘干、造粒并壓成坯片，排膠燒結(jié)制得氧化鋁微波介 質(zhì)陶瓷。4. 如權(quán)利要求3所述的制備氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，在步驟（1)之前 還包括CMS混合物粉體制備步驟:將質(zhì)量百分比為64.2 %~69.5 %的碳酸鈣、質(zhì)量百分比為 12.9 %~13.3 %的氧化鎂和質(zhì)量百分比為17.6 %~22.5 %的氧化硅混合后在900 °C~1000 °C煅燒2h~3h。5. 如權(quán)利要求3所述的制備氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，步驟(2)中濕法 球磨時(shí)間為6h~7h。6. 如權(quán)利要求3所述的制備氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，步驟(2)中使用 質(zhì)量百分比為7%~8%的聚乙烯醇造粒。7. 如權(quán)利要求3所述的制備氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，步驟(2)中將混 合物粉體在50MPa~IOOMPa壓成坯片。8. 如權(quán)利要求3所述制備氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，步驟(2)中在氧氣 氣氛中600°C~650°C排膠5h~6h。9. 如權(quán)利要求3所述制備氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，步驟(2)中時(shí)將坯 片在空氣氣氛中1500°C~1600°C下燒結(jié)，并保溫3h~4h，制得氧化鋁微波介質(zhì)陶瓷。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK105948723SQ201610505162
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】范桂芬, 王凱, 呂文中, 史玉升, 李晨輝, 雷文, 梁飛, 周靜怡
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)