專利名稱：一種可低溫度燒結的鈦酸鋅高頻介質陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發明涉及材料學科的高頻介質陶瓷領域，是一種可低溫度燒結的鈦酸鋅高頻介質陶瓷及其制備方法。
背景技術：
近年來，隨著移動通訊和衛星通訊的迅猛發展，作為高頻集成電路或介質諧振器的材料——高頻介質陶瓷有很大的需求。
此外，便攜式信息通信設備的進步導致了各種由于多芯片高頻器件或低溫共燒陶瓷(LTCC)產生的各種類型的線路板和多芯片模塊的發展，這就要求器件小型化，片式化，輕量化，促使介質陶瓷能夠與其他介電材料或電感材料實現疊層共燒，其中要求具有良好導電率的金屬或合金作為內電極。到目前為止已經廣泛公知的代表性高頻介質組合物如鈦酸鋯錫系、氧化鋇-二氧化鈦系、以及作為鋇-鈣鈦礦族的鉭鋅酸鋇、鉭鎂酸鋇、鈮鋅酸鋇，多在1300-1500℃的高溫下燒結，因此，在進行疊層共燒時必須采用價格高昂的鈀、鉑或鈀/銀合金作為內電極材料。
銀和銅價格低廉，具有小的高頻損耗和良好的導電率，是片式元件內電極的最佳備選材料。但是，銀和銅的熔點很低，分別為961℃和1085℃，低于一般陶瓷材料的燒結溫度，因此，在實現介電材料與鐵氧體材料，以及介電材料與介電材料之間的共同燒結燒結時，會使電極材料在低溫下熔化，失去作用。近年來，研究能與銀、銅或銀/銅合金共同低溫燒結的介質陶瓷，成為了電子材料研究領域的熱點和難點之一。目前，常用的降低燒結溫度的技術主要有三種化學合成法，如溶膠-凝膠法等；特殊燒結法，比如熱壓燒結，熱等靜壓燒結，微波燒結等；摻雜低熔點燒結助劑。但是，這幾種方法具有其自身難以克服的缺陷，化學合成法和特殊燒結法往往需要特殊的設備，以及價格昂貴的原料，而且工藝復雜，不利于實現工業化生產要求，而單純摻雜低熔點燒結助劑會降低材料的介電性能，從長遠看也難以進一步推廣。
發明內容為克服現有技術中存在的需要特殊的設備和價格昂貴的原料使得制備成本增高、制備工藝復雜以及材料的介電性能低的不足，本發明提出一種可低溫度燒結的鈦酸鋅高頻介質陶瓷及其制備方法，其燒結溫度從850～950℃。
本發明所采用的原料包括堿式碳酸鋅、納米銳鈦礦型二氧化鈦以及添加物，其中，堿式碳酸鋅用來生成氧化鋅，添加物為五氧化二釩和三氧化二硼。原料配比為1份堿式碳酸鋅分解生成的氧化鋅，1份納米銳鈦礦型二氧化鈦和0.75～1.00重量％的添加物。
本發明利用堿式碳酸鋅獲得制備陶瓷組合物的起始原料氧化鋅，所得到的氧化鋅為納米級，具有很高的活性，能夠促進陶瓷燒結。具體過程是(1)將分析純的堿式碳酸鋅加熱使其分解為氧化鋅，加熱溫度為350℃，保溫時間為3小時，升溫速率為5℃/分鐘。
(2)將氧化鋅與納米銳鈦礦型二氧化鈦按摩爾比1∶1配比混合后球磨，并烘干、研磨、預燒。其中預燒溫度為700℃，時間為2小時，烘干溫度為80～100℃，時間為3～6小時。
(3)加入五氧化二釩和三氧化二硼添加物。五氧化二釩與三氧化二硼的摩爾比為1～3∶3～1，添加量為0.75～1.00重量％。
(4)再次球磨、烘干，加入聚乙烯醇粘結劑水溶液研磨2小時，產生約200微米大小的顆粒，并壓力成型。
(5)把成型后的試樣熱處理，燒掉粘合劑，并將素坯在850℃到950℃溫度之間燒結，其升溫速率為10℃/分鐘。
(6)對燒結后的試樣經拋光研磨，并在其表面均勻涂覆導電銀漿后，在550～620℃溫度間熱處理，其升溫時間為3.5～5小時。
(7)將燒銀后的試樣打磨。
本發明在不改變制備工藝時，根據不同的需要，只需改變添加劑五氧化二釩和三氧化二硼的配比，就可得到一系列變化的介電常數和介電損耗值，而仍然保證陶瓷燒結溫度維持在900℃以下。
本發明的優點在于可以使用常用的設備，如電阻爐，烘箱，球磨機等，采用易于獲得的價格低廉的原料，運用簡單易行的工藝路線實現鈦酸鋅介質陶瓷的在900℃以下燒結，適用于制作以銀、銅或銀/銅合金等濺金屬作為內電極的片式元件，如疊層片式濾波器、疊層片式電容器/電感器復合器件和低溫燒結基板、諧振器和濾波器或陶瓷天線等，從而大幅度降低了片式元件的制作成本。
具體實施方式
實施例一本實施例采用了化學方法獲得制備陶瓷組合物的起始原料氧化鋅。本實施例的原料配比為1份堿式碳酸鋅分解生成的氧化鋅，1份納米銳鈦礦型二氧化鈦，外加1.00重量％的添加物，添加物以基料總重量為100計。
制備步驟為(1)將分析純的堿式碳酸鋅加熱到350℃使其分解為氧化鋅，保溫時間為3小時，升溫速率為5℃/分鐘。所得氧化鋅的粒徑為50～80納米。
(2)將氧化鋅與納米銳鈦礦型二氧化鈦按摩爾比1∶1配比，用行星磨在聚乙烯罐中混合球磨24小時，以無水乙醇，鋯球為介質，其中二氧化鈦粒徑為30～50納米。球磨后的濕料在烘箱中以85℃烘干3.5小時，然后將干燥粉料用瑪瑙研缽磨細，置于剛玉坩鍋中，在700℃預燒2小時。
(3)預燒粉經瑪瑙研缽磨細后，加入添加物，添加物為五氧化二釩和三氧化二硼，添加量為0.80重量％，其中五氧化二釩和三氧化二硼復合添加物的摩爾配比為3∶1，記為3VB。
(4)再次球磨12小時，烘干，向其中加入2.00重量％的聚乙烯醇粘結劑水溶液，用瑪瑙研缽研磨2小時，產生約200微米大小的顆粒，用該顆粒在120兆帕的壓力下成型，成型試樣的尺寸按照模具而定。
(5)把成型后的試樣在電阻爐中經520℃熱處理，燒掉粘合劑，其中，升溫時間為7小時，保溫時間為1.5小時。然后，將燒掉粘合劑的素坯在900℃的溫度，空氣氣氛下燒結4小時，升溫速率為10℃/分鐘。
(6)把燒結后的試樣用炭化硅拋光砂紙研磨，在其表面均勻導電銀漿，要求銀漿均勻、完全覆蓋試樣表面。然后，將涂覆銀漿的試樣在560℃熱處理5小時，升溫時間為3.5小時。
(7)將燒銀后的試樣用砂紙仔細打磨掉棱邊的銀，以保證其上、下表面不形成短路。
使用HP-4294A型阻抗分析儀在室溫條件下測試介電性能，測試頻率為1兆赫茲和10兆赫茲。在10兆赫茲的測試頻率下，所得陶瓷的相對介電常數ε為22.4，介電損耗為tgδ為2.39×10-3。
實施例二本實施例采用了化學方法獲得制備陶瓷組合物的起始原料氧化鋅。本實施例的原料配比為1份堿式碳酸鋅分解生成的氧化鋅，1份納米銳鈦礦型二氧化鈦，外加1.00重量％的添加物，添加物以基料總重量為100計。
制備步驟為(1)將分析純的堿式碳酸鋅加熱到350℃使其分解為氧化鋅，保溫時間為3小時，升溫速率為5℃/分鐘。所得氧化鋅的粒徑為50～80納米。
(2)將氧化鋅與納米銳鈦礦型二氧化鈦按摩爾比1∶1配比，用行星磨在聚乙烯罐中混合球磨24小時，以無水乙醇，鋯球為介質，其中二氧化鈦粒徑為30～50納米。球磨后的濕料在烘箱中以90℃烘干4.5小時，然后將干燥粉料用瑪瑙研缽磨細，置于剛玉坩鍋中，在700℃預燒2小時。
(3)預燒粉經瑪瑙研缽磨細后，加入添加物，添加物為五氧化二釩和三氧化二硼，添加量為0.90重量％，其中五氧化二釩和三氧化二硼復合添加物的摩爾配比為1∶3，記為VB3。
(4)再次球磨12小時，烘干，向其中加入2.00重量％的聚乙烯醇粘結劑水溶液，用瑪瑙研缽研磨2小時，產生約200微米大小的顆粒，用該顆粒在120兆帕的壓力下成型，成型試樣的尺寸按照模具而定。
(5)把成型后的試樣在電阻爐中經550℃熱處理，燒掉粘合劑，其中，升溫時間為7小時，保溫時間為1.5小時。然后，將燒掉粘合劑的素坯在875℃的溫度，空氣氣氛下燒結4小時，升溫速率為10℃/分鐘。
(6)把燒結后的試樣用炭化硅拋光砂紙研磨，在其表面均勻導電銀漿，要求銀漿均勻、完全覆蓋試樣表面。然后，將涂覆銀漿的試樣在580℃熱處理5小時，升溫時間為4小時。
(7)將燒銀后的試樣用砂紙仔細打磨掉棱邊的銀，以保證其上、下表面不形成短路。
使用HP-4294A型阻抗分析儀在室溫條件下測試介電性能，測試頻率為1兆赫茲和10兆赫茲。在10兆赫茲的測試頻率下，所得陶瓷的相對介電常數ε為27.3，介電損耗tgδ為1.92×10-3。具體介電性能如表1所示。
實施例三本實施例采用了化學方法獲得制備陶瓷組合物的起始原料氧化鋅。本實施例的原料配比為1份堿式碳酸鋅分解生成的氧化鋅，1份納米銳鈦礦型二氧化鈦，外加1.00重量％的添加物，添加物以基料總重量為100計。
制備步驟為(1)將分析純的堿式碳酸鋅加熱到350℃使其分解為氧化鋅，保溫時間為3小時，升溫速率為5℃/分鐘。所得氧化鋅的粒徑為50～80納米。
(2)將氧化鋅與納米銳鈦礦型二氧化鈦按摩爾比1∶1配比，用行星磨在聚乙烯罐中混合球磨24小時，以無水乙醇，鋯球為介質，其中二氧化鈦粒徑為30～50納米。球磨后的濕料在烘箱中以100℃烘干5.5小時，然后將干燥粉料用瑪瑙研缽磨細，置于剛玉坩鍋中，在700℃預燒2小時。
(3)預燒粉經瑪瑙研缽磨細后，加入添加物，添加物為五氧化二釩和三氧化二硼，添加量為1.00重量％，其中五氧化二釩和三氧化二硼復合添加物的摩爾配比為1∶1，記為VB。
(4)再次球磨12小時，烘干，向其中加入2.00重量％的聚乙烯醇粘結劑水溶液，用瑪瑙研缽研磨2小時，產生約200微米大小的顆粒，用該顆粒在120兆帕的壓力下成型，成型試樣的尺寸按照模具而定。
(5)把成型后的試樣在電阻爐中經580℃熱處理，燒掉粘合劑，其中，升溫時間為7小時，保溫時間為1.5小時。然后，將燒掉粘合劑的素坯在930℃的溫度，空氣氣氛下燒結4小時，升溫速率為10℃/分鐘。
(6)把燒結后的試樣用炭化硅拋光砂紙研磨，在其表面均勻導電銀漿，要求銀漿均勻、完全覆蓋試樣表面。然后，將涂覆銀漿的試樣在600℃熱處理5小時，升溫時間為5小時。
(7)將燒銀后的試樣用砂紙仔細打磨掉棱邊的銀，以保證其上、下表面不形成短路。
使用HP-4294A型阻抗分析儀在室溫條件下測試介電性能，測試頻率為1兆赫茲和10兆赫茲。在10兆赫茲的測試頻率下，所得陶瓷的相對介電常數ε為18.4，介電損耗為tgδ為3.83×10-3。
權利要求
1.一種可低溫度燒結的鈦酸鋅高頻介質陶瓷，其特征在于a.該高頻介質陶瓷組合物以堿式碳酸鋅和納米銳鈦礦型二氧化鈦作為起始原料，其中，堿式碳酸鋅用來生成氧化鋅，添加物為五氧化二釩和三氧化二硼；b.其原料配比為1份堿式碳酸鋅分解生成的氧化鋅，1份納米銳鈦礦型二氧化鈦，以及0.75～1.00重量％的添加物；c.五氧化二釩與三氧化二硼的摩爾比為1～3∶3～1，添加量為0.75～1.00重量％。
2.一種制備如權利要求1所述高頻介質陶瓷的方法，將原料按一定配比配料，并經過球磨、烘干、研磨、成型、預燒、燒結及涂銀，制成陶瓷，其特征在于a.將分析純的堿式碳酸鋅加熱使其分解為氧化鋅，加熱溫度為350℃，保溫時間為3小時，升溫速率為5℃/分鐘；b.混合粉的預燒溫度為700℃，時間為2小時；c.在預燒粉中加入五氧化二釩和三氧化二硼添加物，并球磨、烘干。
全文摘要
本發明涉及一種可低溫度燒結的鈦酸鋅高頻介質陶瓷及其制備方法。為克服現有技術中存在的需要特殊的設備和價格昂貴的原料、制備成本高、工藝復雜以及材料的介電性能低的不足，本發明用1份堿式碳酸鋅分解生成的氧化鋅，1份納米銳鈦礦型二氧化鈦和0.75～1.00重量％的五氧化二釩和三氧化二硼添加物，其中堿式碳酸鋅用來生成氧化鋅，經過球磨、烘干、研磨、成型、預燒、燒結及涂銀，制成陶瓷，并可通過改變添加劑配比，可得到一系列變化的介電常數和介電損耗值，并保證陶瓷燒結溫度維持在900℃以下。本發明具有成本低、工藝簡單、制備方便的特點，適用于制作以銀、銅或銀/銅合金等濺金屬作為內電極的片式元件，具有廣泛的應用前景。
文檔編號C04B35/462GK1699276SQ200510042710
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月25日 優先權日2005年5月25日
發明者劉向春, 趙麗麗, 高峰, 田長生 申請人:西北工業大學