專利名稱：一種可低溫度燒結(jié)的鈦酸鋅高頻介質(zhì)陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料學(xué)科的高頻介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域，是一種可低溫度燒結(jié)的鈦酸鋅高頻介質(zhì)陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著移動(dòng)通訊和衛(wèi)星通訊的迅猛發(fā)展，作為高頻集成電路或介質(zhì)諧振器的材料——高頻介質(zhì)陶瓷有很大的需求。
此外，便攜式信息通信設(shè)備的進(jìn)步導(dǎo)致了各種由于多芯片高頻器件或低溫共燒陶瓷(LTCC)產(chǎn)生的各種類型的線路板和多芯片模塊的發(fā)展，這就要求器件小型化，片式化，輕量化，促使介質(zhì)陶瓷能夠與其他介電材料或電感材料實(shí)現(xiàn)疊層共燒，其中要求具有良好導(dǎo)電率的金屬或合金作為內(nèi)電極。到目前為止已經(jīng)廣泛公知的代表性高頻介質(zhì)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(jié)，因此，在進(jìn)行疊層共燒時(shí)必須采用價(jià)格高昂的鈀、鉑或鈀/銀合金作為內(nèi)電極材料。
銀和銅價(jià)格低廉，具有小的高頻損耗和良好的導(dǎo)電率，是片式元件內(nèi)電極的最佳備選材料。但是，銀和銅的熔點(diǎn)很低，分別為961℃和1085℃，低于一般陶瓷材料的燒結(jié)溫度，因此，在實(shí)現(xiàn)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(jié)燒結(jié)時(shí)，會(huì)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?zé)Y(jié)的介質(zhì)陶瓷，成為了電子材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。目前，常用的降低燒結(jié)溫度的技術(shù)主要有三種化學(xué)合成法，如溶膠-凝膠法等；特殊燒結(jié)法，比如熱壓燒結(jié)，熱等靜壓燒結(jié)，微波燒結(jié)等；摻雜低熔點(diǎn)燒結(jié)助劑。但是，這幾種方法具有其自身難以克服的缺陷，化學(xué)合成法和特殊燒結(jié)法往往需要特殊的設(shè)備，以及價(jià)格昂貴的原料，而且工藝復(fù)雜，不利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)要求，而單純摻雜低熔點(diǎn)燒結(jié)助劑會(huì)降低材料的介電性能，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看也難以進(jìn)一步推廣。

發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的需要特殊的設(shè)備和價(jià)格昂貴的原料使得制備成本增高、制備工藝復(fù)雜以及材料的介電性能低的不足，本發(fā)明提出一種可低溫度燒結(jié)的鈦酸鋅高頻介質(zhì)陶瓷及其制備方法，其燒結(jié)溫度從850～950℃。
本發(fā)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(fā)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(jí)，具有很高的活性，能夠促進(jìn)陶瓷燒結(jié)。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(shí)間為3小時(shí)，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(yù)燒。其中預(yù)燒溫度為700℃，時(shí)間為2小時(shí)，烘干溫度為80～100℃，時(shí)間為3～6小時(shí)。
(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(jié)劑水溶液研磨2小時(shí)，產(chǎn)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(jié)，其升溫速率為10℃/分鐘。
(6)對(duì)燒結(jié)后的試樣經(jīng)拋光研磨，并在其表面均勻涂覆導(dǎo)電銀漿后，在550～620℃溫度間熱處理，其升溫時(shí)間為3.5～5小時(shí)。
(7)將燒銀后的試樣打磨。
本發(fā)明在不改變制備工藝時(shí)，根據(jù)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(shù)和介電損耗值，而仍然保證陶瓷燒結(jié)溫度維持在900℃以下。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以使用常用的設(shè)備，如電阻爐，烘箱，球磨機(jī)等，采用易于獲得的價(jià)格低廉的原料，運(yùn)用簡(jiǎn)單易行的工藝路線實(shí)現(xiàn)鈦酸鋅介質(zhì)陶瓷的在900℃以下燒結(jié)，適用于制作以銀、銅或銀/銅合金等濺金屬作為內(nèi)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(fù)合器件和低溫?zé)Y(jié)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(shí)施方式
實(shí)施例一本實(shí)施例采用了化學(xué)方法獲得制備陶瓷組合物的起始原料氧化鋅。本實(shí)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(jì)。
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(shí)間為3小時(shí)，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(shí)，以無水乙醇，鋯球?yàn)榻橘|(zhì)，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(shí)，然后將干燥粉料用瑪瑙研缽磨細(xì)，置于剛玉坩鍋中，在700℃預(yù)燒2小時(shí)。
(3)預(yù)燒粉經(jīng)瑪瑙研缽磨細(xì)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(fù)合添加物的摩爾配比為3∶1，記為3VB。
(4)再次球磨12小時(shí)，烘干，向其中加入2.00重量％的聚乙烯醇粘結(jié)劑水溶液，用瑪瑙研缽研磨2小時(shí)，產(chǎn)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(jīng)520℃熱處理，燒掉粘合劑，其中，升溫時(shí)間為7小時(shí)，保溫時(shí)間為1.5小時(shí)。然后，將燒掉粘合劑的素坯在900℃的溫度，空氣氣氛下燒結(jié)4小時(shí)，升溫速率為10℃/分鐘。
(6)把燒結(jié)后的試樣用炭化硅拋光砂紙研磨，在其表面均勻?qū)щ娿y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(shí)，升溫時(shí)間為3.5小時(shí)。
(7)將燒銀后的試樣用砂紙仔細(xì)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(cè)試介電性能，測(cè)試頻率為1兆赫茲和10兆赫茲。在10兆赫茲的測(cè)試頻率下，所得陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)ε為22.4，介電損耗為tgδ為2.39×10-3。
實(shí)施例二本實(shí)施例采用了化學(xué)方法獲得制備陶瓷組合物的起始原料氧化鋅。本實(shí)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(jì)。
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(shí)間為3小時(shí)，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(shí)，以無水乙醇，鋯球?yàn)榻橘|(zhì)，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(shí)，然后將干燥粉料用瑪瑙研缽磨細(xì)，置于剛玉坩鍋中，在700℃預(yù)燒2小時(shí)。
(3)預(yù)燒粉經(jīng)瑪瑙研缽磨細(xì)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(fù)合添加物的摩爾配比為1∶3，記為VB3。
(4)再次球磨12小時(shí)，烘干，向其中加入2.00重量％的聚乙烯醇粘結(jié)劑水溶液，用瑪瑙研缽研磨2小時(shí)，產(chǎn)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(jīng)550℃熱處理，燒掉粘合劑，其中，升溫時(shí)間為7小時(shí)，保溫時(shí)間為1.5小時(shí)。然后，將燒掉粘合劑的素坯在875℃的溫度，空氣氣氛下燒結(jié)4小時(shí)，升溫速率為10℃/分鐘。
(6)把燒結(jié)后的試樣用炭化硅拋光砂紙研磨，在其表面均勻?qū)щ娿y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(shí)，升溫時(shí)間為4小時(shí)。
(7)將燒銀后的試樣用砂紙仔細(xì)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(cè)試介電性能，測(cè)試頻率為1兆赫茲和10兆赫茲。在10兆赫茲的測(cè)試頻率下，所得陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)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(shí)施例三本實(shí)施例采用了化學(xué)方法獲得制備陶瓷組合物的起始原料氧化鋅。本實(shí)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(jì)。
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(shí)間為3小時(shí)，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(shí)，以無水乙醇，鋯球?yàn)榻橘|(zhì)，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(shí)，然后將干燥粉料用瑪瑙研缽磨細(xì)，置于剛玉坩鍋中，在700℃預(yù)燒2小時(shí)。
(3)預(yù)燒粉經(jīng)瑪瑙研缽磨細(xì)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(fù)合添加物的摩爾配比為1∶1，記為VB。
(4)再次球磨12小時(shí)，烘干，向其中加入2.00重量％的聚乙烯醇粘結(jié)劑水溶液，用瑪瑙研缽研磨2小時(shí)，產(chǎn)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(jīng)580℃熱處理，燒掉粘合劑，其中，升溫時(shí)間為7小時(shí)，保溫時(shí)間為1.5小時(shí)。然后，將燒掉粘合劑的素坯在930℃的溫度，空氣氣氛下燒結(jié)4小時(shí)，升溫速率為10℃/分鐘。
(6)把燒結(jié)后的試樣用炭化硅拋光砂紙研磨，在其表面均勻?qū)щ娿y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(shí)，升溫時(shí)間為5小時(shí)。
(7)將燒銀后的試樣用砂紙仔細(xì)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(cè)試介電性能，測(cè)試頻率為1兆赫茲和10兆赫茲。在10兆赫茲的測(cè)試頻率下，所得陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)ε為18.4，介電損耗為tgδ為3.83×10-3。
權(quán)利要求
1.一種可低溫度燒結(jié)的鈦酸鋅高頻介質(zhì)陶瓷，其特征在于a.該高頻介質(zhì)陶瓷組合物以堿式碳酸鋅和納米銳鈦礦型二氧化鈦?zhàn)鳛槠鹗荚?，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(quán)利要求1所述高頻介質(zhì)陶瓷的方法，將原料按一定配比配料，并經(jīng)過球磨、烘干、研磨、成型、預(yù)燒、燒結(jié)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(shí)間為3小時(shí)，升溫速率為5℃/分鐘；b.混合粉的預(yù)燒溫度為700℃，時(shí)間為2小時(shí)；c.在預(yù)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(fā)明涉及一種可低溫度燒結(jié)的鈦酸鋅高頻介質(zhì)陶瓷及其制備方法。為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的需要特殊的設(shè)備和價(jià)格昂貴的原料、制備成本高、工藝復(fù)雜以及材料的介電性能低的不足，本發(fā)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(jīng)過球磨、烘干、研磨、成型、預(yù)燒、燒結(jié)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(shù)和介電損耗值，并保證陶瓷燒結(jié)溫度維持在900℃以下。本發(fā)明具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、制備方便的特點(diǎn)，適用于制作以銀、銅或銀/銅合金等濺金屬作為內(nèi)電極的片式元件，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C04B35/462GK1699276SQ200510042710
公開日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者劉向春, 趙麗麗, 高峰, 田長(zhǎng)生 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)