專利名稱：一種鈮鋅鋇基微波介質陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種低溫反應燒結的鈮鋅鋇基微波介質陶瓷及其制備方法，屬于特種 陶瓷材料制備工藝技術領域。
背景技術：
微波介質陶瓷是指應用于微波頻段電路中作為介質材料并完成一種或多種功能 的陶瓷，是現代通信領域中廣泛使用的結構件(微波集成電路基片，微波元器件支撐架等) 和功能器件(介質諧振器、濾波器、微波電容器、介質天線、介質波導混路等)等微波元件的 關鍵材料。近年來，隨著通訊技術的迅猛發展，移動通信設備和便攜式終端正朝著小型、輕 量、高頻、低功耗、多功能、高性能化方向發展，這要求以微波介質陶瓷為基礎的微波電路元 器件小型化、輕量化、集成化及高可靠性。其中，以發展能與高電導率的低熔點賤金屬Cu、 Ag或Cu/Ag合金共燒的低溫共燒陶瓷(LTCC)成為微波介質材料發展的主流。作為LTCC 材料，除了要求具有良好的微波介電性能，還要求其能在不高于Cu和Ag電極的熔點溫度 (分別為1064°C和961°C )下燒結致密。但是，目前商業微波介質陶瓷的燒結溫度多在 1300-15001，遠高于01、48的熔點。為了降低微波介質陶瓷的燒結溫度，目前采用的方法 主要有三種氧化物或低熔點玻璃的加入，采用化學合成方法制備高活性粉體以及尋找使 用新的固有燒結溫度低的材料。其中摻雜低熔點氧化物或玻璃是最常用、最簡單且經濟使 用的方法。目前，將低熔點氧化物直接與未經預合成的原料粉體混合，與原料混合物直接進 行低溫反應燒結獲得鈮鋅鋇基微波介質陶瓷的研究還未見報道。反應燒結是一種特殊而且 簡單的燒結方法，其主要特點是原料粉體的相組成不同于材料燒結后的相組成，材料在燒 結過程中不需要經過粉體合成以及隨后的粉體細磨階段。因此，可以簡化陶瓷材料的制備 工藝。本發明涉及的低溫反應燒結制備鈮鋅鋇基微波介質陶瓷，在不需要高溫和高壓的條 件下，就可以使BaO-ZnO-Nb2O5體系材料在低燒結溫度下反應燒結致密。BaO-ZnO-Nb2O5(BZN)復合鈣鈦礦陶瓷材料具有較大的介電常數、較高的品質因數 及小的諧振頻率溫度系數，近年來引起了人們的廣泛關注，被認為是很有發展潛力及應用 前景的新型微波介質材料。采用傳統的燒結方法，BaO-ZnO-Nb2O5(BZN)復合鈣鈦礦陶瓷材 料的燒結溫度較高，需要1300°C左右，然而隨著社會的發展，減少能耗、降低對環境的污染 等呼聲越來越高，因此高能耗的陶瓷行業迫切需要改進現有的制備工藝以降低能耗、減少 成本以及降低生產過程對環境帶來的污染等。本發明涉及到的低溫反應燒結方法，制備工 藝簡單，可以降低成本、減少能耗、降低材料生產對環境帶來的污染，并且制備獲得的陶瓷 材料具有優異的微波介電性能，對推動微波介質陶瓷材料的發展及其商業應用具有重要作 用。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種BaO-ZnO-Nb2O5 (BZN)微波介質陶瓷材料及其低溫反應燒結方法，該方法具有工藝簡單、生產成本低、能耗小、且材料燒結 溫度低，制備獲得的材料微波介電性能優異。本發明的BaO-ZnO-Nb2O5(BZN)微波介質陶瓷材料的低溫反應燒結方法，包括以下 步驟(1)原料采用BaC03、ZnO和Nb2O5，按目標產物的化學配比Ba (Zn1/3Nb2/3) O3稱取原 料，添加劑的用量為原料總重量的3-9%，將原料和添加劑置于球磨罐中得到混合料，并將 磨球置于球磨罐中；(2)在球磨罐中加入無水乙醇，濕式球磨法混合12-36h，80-120°C烘干，將烘干的 粉料過篩，獲得混合均勻的混合粉料；(3)在混合料中添加2-4%的聚乙烯醇，混合均勻后在80_150Mpa下壓制成型，在 燒結溫度為950-1050°C，空氣氣氛中無壓燒結2-6h，自然冷卻后，得到本發明的鈮鋅鋇基 微波介質陶瓷材料。所述的混合料與無水乙醇的質量比為1 1.5。所述的原料采用分析純，所述的添加劑包括CuO、Li2C03、V2O5, ZnO與B2O3的混合 物。添加劑的質量分數為CuO 0. 5% -1. 5%Li2CO3 0. 5% -1. 5%V2O5 0. 5% -1. 5%ZnO-B2O3 1. 5% -4. 5%其中ZnO-B2O3兩者間的質量分數為ZnO 10% 30%B2O3 余量在所述的球磨罐中按球料重量比為3 1加入磨球。所述的過篩為過100目篩。以2V /min的速度升溫到所述的燒結溫度。本發明制備獲得的微波介質陶瓷材料可以用來制備集成化的介質諧振器、多層片 式濾波器等片式元件。本發明相對于現有技術所具有的優點及有益效果(1)本發明將低熔點氧化物直接與未經預合成的原料粉體混合，與原料混合物直 接進行低溫反應燒結獲得鈮鋅鋇基微波介質陶瓷，因此產品制備過程中不需要經過傳統工 藝中的BZN粉體高溫燒結以及隨后的合成粉體的球磨階段，另外正是由于添加了低熔點氧 化物作為燒結助劑，不需要高的燒結溫度，產品在空氣氣氛以及無壓條件下即可完成反應 燒結過程。因此，本發明方法工藝簡單，節省能耗，降低成本，不但提高了材料的制備效率， 并且降低了對環境的污染。(2)本發明方法制備的BZN材料致密度高，晶粒分布均勻。(3)本發明方法制得的BZN材料具有優良的微波介電性能；合適的相對介電常數，高的品質因子以及小的諧振頻率溫度系數。(4)本發明使用的設備、工藝路線簡單，材料制備成本低、工藝穩定、重現性好，有 利于工業化生產，進一步促進BZN材料的應用。
圖1為本發明的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，而非限制本發明。實施例1 對制備獲得的BZN陶瓷材料的結構與性能機型測試與分析用阿基米德排水法測 定陶瓷材料的密度；用Hakki-Colemen圓柱介質諧振法測試器微波介電性能(室溫)，其中 諧振頻率溫度系數在25-85。C范圍內獲得。原料采用分析純的BaC03、ZnO和Nb205，按目標產物的化學配比Ba (Zn1/3Nb2/3) 03 進行稱量稱取BaC0s63. 03g、Zn08. 67g和Nb205 28. 3g，并在lOOg上述原料中加入下列 添加劑0. 5gCu0、0. 5g Li2C03、0. 5g V205 和 1. 5g Zn0_B203，其中 Zn0_B203 兩者的質量為 10gZn0、90g B203。將上述原料放入行星式球磨機中，按混合料總重量的1.5倍加入無水乙 醇，研磨混合12h得到料漿；將混合好的料漿在80°C干燥14h，過100目篩后得到均勻分布 的混合料；添加聚乙烯醇進行造粒，聚乙烯醇的用量為混合粉料重量的2%，在80Mpa的壓 強下壓制成小圓片，在950°C下空氣氣氛進行無壓燒結6h，升溫速度為2V /min,自然冷卻 后，得到鈮鋅鋇基微波介質陶瓷材料。用該方法制備的Ba(Zn1/3Nb2/3)03基微波介質陶瓷，具有較好的微波性能，其微波 性能為e r = 43. 26，QXf = 5616GHz, x f = -79. 6ppm/°C。實施例2 原料采用分析純的BaC03、Zn0和Nb205，按目標產物的化學配比Ba (Zn1/3Nb2/3) 03進 行稱量稱取BaC0363 . 03g、Zn08. 67g和Nb20528. 3g，并在lOOg上述原料中加入下列添加劑 1.0gCu0、1.0g Li2C03、1.0g V205 和 2. 5g Zn0_B203，其中 Zn0_B203 兩者的質量為20gZn0、 80g B203。將上述原料放入行星式球磨機中，按混合料總重量的1.5倍加入無水乙醇，研磨 混合20h得到料漿；將混合好的料漿在100°C干燥18h，過100目篩后得到均勻分布的混合 料；添加聚乙烯醇進行造粒，聚乙烯醇的用量為混合粉料重量的2%，在lOOMpa的壓強下壓 制成小圓片，在980°C下空氣氣氛進行無壓燒結5h，升溫速度為2°C/min，自然冷卻后，得到 鈮鋅鋇基微波介質陶瓷材料。用該方法制備的Ba(Zn1/3Nb2/3)03基微波介質陶瓷，具有較好的微波性能，其微波 性能為e r = 43. 35，QXf = 5630GHz, x f = -80. lppm/°C。實施例3 原料采用分析純的BaC03、Zn0和Nb205，按目標產物的化學配比Ba (Zn1/3Nb2/3) 03進 行稱量稱取BaC0363 . 03g、Zn08. 67g和Nb20528. 3g，并在lOOg上述原料中加入下列添加劑 0. 5gCu0、1.0g Li2C03、1.5g V205 和 3. 5g Zn0_B203，其中 Zn0_B203 兩者的質量為20gZn0、 80g B203。將上述原料放入行星式球磨機中，按混合料總重量的1.5倍加入無水乙醇，研磨 混合28h得到料漿；將混合好的料漿在110°C干燥20h，過100目篩后得到均勻分布的混合 料；添加聚乙烯醇進行造粒，聚乙烯醇的用量為混合粉料重量的3%，在llOMpa的壓強下壓 制成小圓片，在1010°C下空氣氣氛進行無壓燒結3h，升溫速度為2°C /min,自然冷卻后，得到鈮鋅鋇基微波介質陶瓷材料。用該方法制備的Ba(Zn1/3Nb2/3)03基微波介質陶瓷，具有較好的微波性能，其微波 性能為e r = 43. 46，QXf = 5605GHz, x f = -79. 8ppm/°C。實施例4 原料采用分析純的BaC03、Zn0和Nb205，按目標產物的化學配比Ba (Zn1/3Nb2/3) 03進 行稱量稱取BaC0363 . 03g、Zn08. 67g和Nb20528. 3g，并在lOOg上述原料中加入下列添加劑 1. 5gCu0、l. 5g Li2C03、l. 5gV205 和 4. 5g Zn0_B203，其中 Zn0_B203 兩者的質量為30gZn0、70g B203。將上述原料放入行星式球磨機中，按混合料總重量的1. 5倍加入無水乙醇，研磨混合 36h得到料漿；將混合好的料漿在120°C干燥24h，過100目篩后得到均勻分布的混合料；添 加聚乙烯醇進行造粒，聚乙烯醇的用量為混合粉料重量的4%，在150MPa的壓強下壓制成 小圓片，在1050°C下空氣氣氛進行無壓燒結2h，升溫速度為2°C /min,自然冷卻后，得到鈮 鋅鋇基微波介質陶瓷材料。用該方法制備的Ba(Zn1/3Nb2/3)03基微波介質陶瓷，具有較好的微波性能，其微波 性能為e r = 43. 61，QXf = 5648GHz, x f = -79. lppm/°C。
權利要求
一種鈮鋅鋇基微波介質陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)原料采用BaCO3、ZnO和Nb2O5，按目標產物的化學配比Ba(Zn1/3Nb2/3)O3稱取原料，添加劑的用量為原料總重量的3-9％，將原料和添加劑置于球磨罐中，得混合料；在球磨罐中加入無水乙醇，濕式球磨法混合12-36h，80-120℃烘干，將烘干的粉料過篩，獲得混合均勻的混合粉料；(2)在混合粉料中添加2-4wt％的聚乙烯醇，混合均勻后在80-150Mpa下壓制成型，在燒結溫度為950-1050℃，空氣氣氛中無壓燒結2-6h，自然冷卻后，得到所述的鈮鋅鋇基微波介質陶瓷。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的原料中加入下列質 量分數的添加劑CuO 0. 5% -1. 5% ；Li2C03 0. 5% -1. 5% ；V205 0. 5% -1. 5% ；Zn0-B203 :1. 5% -4. 5% ；其中Zn0-B203兩者間的質量分數為ZnO 30% ；B203 余量。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的混合料與無水乙醇 的質量比為1 1.5。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，在步驟(1)所述的球磨罐中按球料重 量比為3 1加入磨球。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述的過篩為過100目篩。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中以2°C/min的速度升溫 到所述的燒結溫度。
7.—種鈮鋅鋇基微波介質陶瓷，其特征在于，所述的鈮鋅鋇基微波介質陶瓷是由權利 要求1或2所述的方法制備得到的。
全文摘要
本發明涉及材料科學的微波介質陶瓷領域，具體涉及一種低溫反應燒結Ba(Zn1/3Nb2/3)O3(BZN)鈮鋅鋇基微波介質陶瓷及其制備方法。本發明方法直接在鈮鋅鋇基料中，加入下列質量分數的添加劑CuO0.5-1.5，Li2CO30.5-1.5，V2O50.5-1.5，ZnO-B2O31.5-4.5。通過普通球磨混合、烘干、過篩、壓制成型，然后通過反應燒結得到致密陶瓷產品，燒結溫度可降至950℃，具有良好的微波性能，并且降低了能源消耗和成本。
文檔編號C04B35/495GK101830708SQ20101017813
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月20日 優先權日2010年5月20日
發明者劉芙蓉, 周宏明, 李薦, 鄭詩禮, 郭雁軍 申請人:中南大學