專利名稱：采用反應(yīng)燒結(jié)法制備高q值鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子信息材料與元器件領(lǐng)域，涉及一種鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷制備的簡易方法一反應(yīng)燒結(jié)法。
背景技術(shù)：
隨著通訊技術(shù)特別是移動通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，金屬腔諧振器已很難滿足通信系統(tǒng)高頻高品質(zhì)因數(shù)及高溫度穩(wěn)定性的應(yīng)用的需求，市場對應(yīng)用于更高頻率的介質(zhì)諧振器、 介質(zhì)濾波器等微波元器件的需求日益旺盛。微波介質(zhì)陶瓷的出現(xiàn)極大的推動了微波集成電路的發(fā)展，具有適宜的介電常數(shù)、高的品質(zhì)因數(shù)以及良好的頻率溫度特性的微波陶瓷材料將成為今后電子陶瓷技術(shù)研究的一個重要方向。MgTiO3陶瓷是一種重要的微波介質(zhì)材料， 被廣泛用于微波介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器、介質(zhì)天線的制造等領(lǐng)域。由于其原料豐富，成本低廉，國內(nèi)外研究者日益重視對其的改性研究。該陶瓷具有高的品質(zhì)因數(shù)(QXf= 160000GHz)，適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)(17)，但諧振頻率溫度系數(shù)Tf較大(-50ppm/°C)，且燒結(jié)溫度高達(dá)1400°C。國內(nèi)外研究者做了多方面工作，以求改善MgTi03基陶瓷的各項介電性能。MgTiO3基陶瓷中摻入CaTiO3可以提高系統(tǒng)的介電常數(shù)，同時使諧振頻率接近零。據(jù)報道，用此方法得到的最佳性能為QXf =56000GHz, Br = 20, τ f 0ppm/°C，但燒結(jié)溫度仍然高達(dá)1400°C，并且品質(zhì)因數(shù)不夠理想。Huang等研究表明在上述配方的基礎(chǔ)上摻入CoO可以顯著提高材料的品質(zhì)因數(shù)，當(dāng)添加 0. 05mol 的 CoO 時，燒結(jié)溫度降為 1275°C, QXf = 107000GHz, τ f = -22. 8ppm/°C。 Jeong-Ho Sohn等研究表明，在使用高純原料并長時間燒結(jié)的實驗條件下，用Co2+部分取代 Mg2+得到(Mga95Coatl5)TiO3陶瓷具有優(yōu)異的微波介電性能QXf = 230000GHz, er= 16.8, τ f _54ppm/°C。上述研究制備鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷采用的都是傳統(tǒng)燒結(jié)法，通過此方法獲得具有極高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基陶瓷所需的實驗條件十分苛刻，比如實驗原料純度高、顆粒小， 實驗工藝復(fù)雜，燒結(jié)時間長等。在簡單實驗條件下，高效節(jié)能的制備出高性能鈦酸鎂基陶瓷是研究者們追求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的工藝復(fù)雜、工藝條件苛刻的缺點，以MgO、TiO2為主要原料，并加入適量CoO、NiO, Zn0、Mn02、ZrO2或者SnO2添加劑，提供一種制備工藝簡單、 應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛、具有極高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷材料的反應(yīng)燒結(jié)方法。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)?！N采用反應(yīng)燒結(jié)法制備鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的方法，具有如下步驟(1)按照鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的原料組分及其質(zhì)量百分比含量為MgTiO3-Hi wt% MO進(jìn)行配料，其中:M0為添加劑CoO、Ni0、ZnO、MnO2、ZrO2或者SnO2,0 ^ m ^ 10 ；將粉料放入聚酯罐中，按照質(zhì)量百分比，料水球 1 7 7的比例加入去離子水和鋯球，球磨6-24小時； (2)將步驟(1)球磨后的原料置于干燥箱中于80-130°C烘干，烘干后過40目篩， 獲得顆粒均勻的陶瓷粉料；(3)在步驟⑵過篩后的陶瓷粉料中加入質(zhì)量百分比為6-10%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以2-6MPa的壓力壓成生坯，將生坯于 1250°C -1400°C燒結(jié)2-8小時，制得鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷(4)將步驟(3)制得的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷進(jìn)行物理及介電性能檢測。所述步驟(1)的原料均采用分析純原料。所述步驟(1)的球磨設(shè)備為行星式球磨機。所述步驟(3)的生坯直徑為10mm、高度為5mm。本發(fā)明的有益效果是，提供一種制備工藝簡單、應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛、具有極高品質(zhì)因數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷材料的反應(yīng)燒結(jié)方法。制備了介電常數(shù)、為15 17，品質(zhì)因數(shù)QX f為200000 290000GHz，諧振頻率溫度系數(shù)τ f為-50 -30ppm/°C的微波介質(zhì)陶瓷。該制備方法省去了粉料的預(yù)燒及二次球磨，極大簡化的材料的制備工藝，節(jié)省了時間成本和能源成本，同時該方法有效地提高了 MgTiO3基陶瓷的品質(zhì)因數(shù)，改善了其諧振頻率溫度系數(shù)，使得該類材料在微波通信方面的應(yīng)用更加廣泛，推動了該體系材料的商業(yè)化應(yīng)用。
具體實施例方式本發(fā)明采用純度均為分析純的市售Ti02、Mg0和CoO、Ni0、ZnO、MnO2、ZrO2、SnO2作為初始原料，采用反應(yīng)燒結(jié)工藝制備微波介質(zhì)陶瓷。實施例1-1依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 6. 82g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑 10mm、高度5mm生坯。將生坯于1350°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例1-2依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti027 . 99g、MgO 4. 03g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑 10mm、高度5mm生坯。將生坯于1350°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例1-3依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0223. 97g、Mg0 12. 09g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑 10mm、高度5mm生坯。將生坯于1350°C燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例2-1依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為CoO，m = 5，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 82g、CoO 1. 05g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1300°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例2-2依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為CoO，m = 1，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 82g、CoO 0. 21g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1300°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例2-3依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為CoO，m = 7，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 82g、CoO 1. 47g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1300°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例3-1依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為ZnO，m = 3，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 82g、ZnO 0. 63g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1250°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例3-2依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為ZnO，m = 3，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 82g、ZnO 0. 63g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1325°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。
實施例3-3
依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為ZnO，m = 3，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 82g、ZnO 0. 63g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1400°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例4-1依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為NiO，m = 1，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 82g、NiO 0. 21g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨6小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1350°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例4-2
依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為NiO，m = 1，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 82g、NiO 0. 21g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1350°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例4-3依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為NiO，m = 1，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 82g、NiO 0. 21g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨24小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1350°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例5-1依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為MnO2, m = 1，稱取 Ti0214. 38g、MgO 6. 28g、MnO2O. 21g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1375°C 燒結(jié)2小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例5-2依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為MnO2, m = 1，稱取 Ti0214. 38g、MgO 6. 28g、MnO2O. 21g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1375°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例5-3依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為MnO2, m = 1，稱取 Ti0214. 38g、MgO 6. 28g、MnO2O. 21g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1375°C 燒結(jié)8小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例6依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為&02，m = 1，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 28g、ZrO2O. 21g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干 燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1325°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例7依照微波介質(zhì)陶瓷組分MgTiO3-Hi wt. % M0，其中MO為SnO2, m = 1，稱取 Ti0214· 38g、MgO 6. 28g、SnO2O. 21g配料，混合粉料放入聚酯罐中，加入150ml去離子水和 150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。出料后置于干燥箱中 120°C下烘干并過40目篩，在粉料中加入質(zhì)量百分比為6%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以4MPa的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1325°C 燒結(jié)4小時制得微波介質(zhì)陶瓷。測量樣品的微波介電性能。本發(fā)明實施例的各項關(guān)鍵參數(shù)及介電性能檢測結(jié)果詳見表1。表 權(quán)利要求
1.一種采用反應(yīng)燒結(jié)法制備高Q值鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的方法，具有如下步驟(1)按照鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的原料組分及其質(zhì)量百分比含量為MgTiO3-HIwt%M0 進(jìn)行配料，其中M0為添加劑CoO、Ni0、SiO、MnO2、ZiO2或者SnO2,0 ^ m ^ 10 ；將粉料放入聚酯罐中，按照質(zhì)量百分比，料水球 1 7 7的比例加入去離子水和鋯球，球磨6-M 小時；(2)將步驟(1)球磨后的原料置于干燥箱中于80-130°C烘干，烘干后過40目篩，獲得顆粒均勻的陶瓷粉料；(3)在步驟(2)過篩后的陶瓷粉料中加入質(zhì)量百分比為6-10%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過篩80目后，再用粉末壓片機以2-6MPa的壓力壓成生坯，將生坯于1250°C -1400°C 燒結(jié)2-8小時，制得鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷；(4)將步驟( 制得的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷進(jìn)行物理及介電性能檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制備高Q值鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，所述步驟 (1)的原料均采用分析純原料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制備高Q值鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，所述步驟 (1)的球磨設(shè)備為行星式球磨機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制備高Q值鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于，所述步驟 (3)的生坯直徑為10mm、高度為5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用反應(yīng)燒結(jié)法制備高Q值鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的方法，步驟如下(1)按照鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷的原料組分及其質(zhì)量百分比含量為MgTiO3-mwt％MO進(jìn)行配料，其中MO為添加劑CoO、NiO、ZnO、MnO2、ZrO2或者SnO2，0≤m≤10；(2)將球磨后的原料烘干、過篩；(3)進(jìn)行造粒，過篩，壓成生坯，于1250℃-1400℃燒結(jié)；(4)進(jìn)行物理及介電性能檢測。本發(fā)明省去了粉料的預(yù)燒及二次球磨，節(jié)省了時間和能源成本，提供了一種制備工藝簡單、具有極高品質(zhì)因數(shù)并改善了其諧振頻率溫度系數(shù)的鈦酸鎂基微波介質(zhì)陶瓷材料的反應(yīng)燒結(jié)方法，使得該類材料在微波通信方面的應(yīng)用更加廣泛。
文檔編號C04B35/64GK102153343SQ20111000374
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者丁響, 張志萍, 李玲霞, 王洪茹 申請人:天津大學(xué)