一種半化學(xué)法制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半化學(xué)法制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法，涉及以成分為特征的陶瓷組合物，由Li2ZnTi3O8粉體+xwt％助燒劑組成，助燒劑為低熔點氧化物B2O3、Bi2O3、V2O5中的一種，x為0.25～1.0wt%。先用溶膠凝膠法制備Li2ZnTi3O8粉體，再將Li2ZnTi3O8粉體和助燒劑混合采用固相反應(yīng)法制備鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷。本發(fā)明制備的微波介質(zhì)陶瓷，其燒結(jié)溫度≤900℃、品質(zhì)因子Q×f值高約為49760～60580GHz、介電常數(shù)εr為24.69～26.83，諧振頻率溫度系數(shù)τf為-21.48～15.68×10-6，可用于諧振器、微波天線、濾波器等微波器件的制造。
【專利說明】一種半化學(xué)法制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子陶瓷及其制造領(lǐng)域，涉及以成分為特征的陶瓷組合物，具體涉及一種半化學(xué)法制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代通訊、無線局域網(wǎng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等技術(shù)的革新，各種微型化、高頻化、片式化的新型微波器件及其相關(guān)介質(zhì)陶瓷得到迅速發(fā)展，與高電導(dǎo)率的低熔點賤金屬Cu、Ag 或 Cu/Ag 合金共燒的微波介質(zhì)陶瓷(low temperature co-fired ceramic, LTCC)成為微波介質(zhì)材料發(fā)展的主流。
[0003]微波介質(zhì)陶瓷作為制造這些器件的關(guān)鍵材料，其性能指標(biāo)在很大程度上決定了微波通信器件與系統(tǒng)的性能。而低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)正是實現(xiàn)微波元器件向高頻、高速、輕質(zhì)、薄型等方向發(fā)展的重要途徑，LTCC技術(shù)要求微波介質(zhì)陶瓷材料的燒結(jié)溫度低于1000°C，且與電極材料Ag (熔點961°C)共燒不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。目前研究的大多數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料的燒結(jié)溫度大都在1200°C以上，無法與金屬電極材料在低溫下共燒。因此，降低微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度及開發(fā)燒結(jié)溫度低、介電性能優(yōu)良的微波介質(zhì)陶瓷材料具有重大實用價值。
[0004]為降低微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度，實現(xiàn)與Ag、Cu等電極的共燒，純固相反應(yīng)法通常需要添加大量的低熔點氧化物或玻璃助劑來降低微波介質(zhì)陶瓷材料的燒結(jié)溫度。大量燒結(jié)助劑的引入往往造成陶瓷微波介電性能的明顯惡化。因此，尋找有效的制備方法降低微波陶瓷材料體系的燒結(jié)溫度越來越受到人們的重視。
[0005]半化學(xué)法采用溶膠凝膠技術(shù)結(jié)合固相反應(yīng)法。溶膠凝膠(sol-gel)技術(shù)制備的陶瓷粉體粒徑分布窄，形貌規(guī)整單一，平均粒徑小，能夠達(dá)到納米級別。納米粉體在燒結(jié)過程有利于傳質(zhì)擴散，降低陶瓷燒結(jié)溫度。通過固相反應(yīng)法摻入微量助燒劑，制備工藝簡單，并能進一步降低燒結(jié)溫度、提高陶瓷體密度及微波介電性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于如何提供一種半化學(xué)法制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法，其工藝過程簡單、操作易于控制、生產(chǎn)成本低廉，并且燒結(jié)溫度低。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種半化學(xué)法制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于，由Li2ZnTi3O8粉體+xwt %助燒劑組成，所述Li2ZnTi3O8粉體采用溶膠凝膠技術(shù)制備，助燒劑為低熔點氧化物B2O3'Bi2O3'V2O5中的一種，0.25≤X≤1.0wt%, x為助燒劑的質(zhì)量百分比。
[0009]所述半化學(xué)法制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，先用溶膠凝膠法制備鈦酸鋰鋅粉體即Li2ZnTi3O8粉體，再將Li2ZnTi3O8粉體和助燒劑混合采用固相反應(yīng)法制備鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷。
[0010]所述溶膠凝膠法制備鈦酸鋰鋅粉體的工藝步驟，其包括如下步驟:
[0011]步驟一:在60~80°C下，將C16H36O4Ti與乙酰丙酮按體積比5:1混合，加入適量的乙二醇甲醚，攪拌均勻后獲得C16H36O4Ti溶液；
[0012]步驟二:將1^03、211(勵3)2按1^:211摩爾比2:1混合，獲得的混合物加入適量的乙二醇攪拌，使LiN03、Zn (NO3) 2完全溶解，得到鋰鋅的混合溶液；
[0013]步驟三:按步驟二所得的鋰鋅混合溶液倒入到步驟一中的C16H36O4Ti溶液
[0014]中，加入適量的冰醋酸，控制溶液的pH值在2~3范圍，恒溫攪拌3~5h，得到有色透明清液；靜置陳化穩(wěn)定12h后，于100°C干燥24h，得到干凝膠粉，在800°C空氣氣氛中預(yù)燒4h，獲得Li2ZnTi3O8粉體過100目篩，待用。
[0015]所述固相反應(yīng)法制備鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷，包括如下步驟:
[0016]步驟一:將制備好的Li2ZnTi3O8粉體和B203、Bi2O3或V2O5中的一種或幾種助燒劑按配比進行混合；
[0017]步驟二:將混合后的Li2ZnTi3O8粉體和助燒劑裝入球磨罐中，加入無水乙醇和氧化鋯球，混合后的L i 2 Z n T i 3 O8粉體和助燒劑、無水乙本醇溶劑、氧化鋯球的質(zhì)量比為 1:1.5:3，混合球磨24h，烘干，過100目篩得到陶瓷粉體；
[0018]步驟三:然后在陶瓷粉體中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，過100目篩造粒;
[0019]步驟四:將造粒后的粉體壓制成圓柱樣品，在800~900°C溫度下燒結(jié)4h，即得到低溫?zé)Y(jié)的微波介質(zhì)陶瓷材料。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:`[0021]一、本發(fā)明制備的微波介質(zhì)陶瓷，其燒結(jié)溫度低((900°C )，微波性能優(yōu)異，品質(zhì)因子QX f值高約為4.98~6.06 X 104、高頻介電常數(shù)L為24.69~26.83，頻率溫度系數(shù) T f小，可用于諧振器、微波天線、濾波器等微波器件的制造。
[0022]二、本發(fā)明先用溶膠凝膠法制備鈦酸鋰鋅粉體即Li2ZnTi3O8粉體，再將Li2ZnTi3O8 粉體和助燒劑混合采用固相反應(yīng)法制備鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷，其預(yù)燒時間為I~4小時、 燒結(jié)時間也僅為I~4小時，大大地節(jié)約了能源，縮短了工藝生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率；
[0023]三、本發(fā)明采用的半化學(xué)制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷，在制備過程大大降低了助燒劑的使用量，減少了助燒劑揮發(fā)對環(huán)境的影響，更環(huán)保。
【具體實施方式】
[0024]下面將結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的描述。
[0025]所述半化學(xué)法制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，先用溶膠凝膠法制備鈦酸鋰鋅粉體即Li2ZnTi3O8粉體，再將Li2ZnTi3O8粉體和助燒劑混合采用固相反應(yīng)法制備鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷。
[0026]實施例1:
[0027]步驟一、在60~80°C下，將C16H36O4Ti與乙酰丙酮按體積比5:1混合，加入適量的乙二醇甲醚，攪拌均勻后獲得C16H36O4Ti (鈦酸丁酯)溶液；
[0028]步驟二、將LiNO3、Zn (NO3)2按L1: Zn摩爾比2:1混合，獲得的混合物加入適量的乙二醇攪拌，使LiN03、Zn (NO3) 2完全溶解，得到鋰鋅的混合溶液；
[0029]步驟三、按步驟二所得的鋰鋅混合溶液倒入到步驟(1)的C16H36O4Ti溶液中，加入適量的冰醋酸，控制溶液的pH值在2~3范圍，恒溫攪拌3~5h，得到有色透明清液；靜置陳化穩(wěn)定12h后，于100°C干燥24h，得到干凝膠粉，在800°C空氣氣氛中預(yù)燒4h，獲得Li2ZnTi3O8粉體過100目篩，待用；
[0030]步驟四、取一定量制備好的Li2ZnTi3O8粉體，按照B2O3占Li2ZnTi3O8質(zhì)量的0.5wt%，進行配料，配方編號為BO115將Li2ZnTi3O8粉體和B2O3的混合物裝入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水こ醇，Li2ZnTi3O8粉體和B2O3的混合物、無水こ醇溶劑和氧化鋯球的質(zhì)量比為1: 1.5:3，混合球磨24h，烘干，過100目篩得到陶瓷粉體；然后在陶瓷粉體中加入5%聚こ烯醇水溶液，混合、烘干，過100目篩造粒；將造粒后的粉體壓制成圓柱樣品，在850°C空氣氣氛中燒結(jié)4h制得。
[0031]實施例2:
[0032]步驟ー:在60~80°C下，將C16H36O4Ti與こ酰丙酮按體積比5:1混合，加入適量的乙二醇甲醚，攪拌均勻后獲得C16H36O4Ti溶液；
[0033]步驟二:將1^03、211(勵3)2按1^:211摩爾比2:1混合，獲得的混合物加入適量的こ二醇攪拌，使LiN03、Zn (NO3) 2完全溶解，得到鋰鋅的混合溶液；
[0034]步驟三:按步驟二所得的鋰鋅混合溶液倒入到步驟ー的C16H36O4Ti溶液中，加入適量的冰醋酸，控制溶液的pH值在2~3范圍，恒溫攪拌3~5h，得到有色透明清液；靜置陳化穩(wěn)定12h后，于100°C干燥24h，得到干凝膠粉，在800°C空氣氣氛中預(yù)燒4h，獲得Li2ZnTi3O8粉體過100目篩，待用；
[0035]步驟四:取一定量制備好的Li2ZnTi3O8粉體，按照B2O3占Li2ZnTi3O8質(zhì)量的
0.25wt%，進行配料，配方編號為B02。將Li2ZnTi3O8粉體和B2O3的混合物裝入球磨罐中，カロ入氧化鋯球和無水こ醇，Li2ZnTi3O8粉體和B2O3的混合物、無水こ醇溶劑、氧化鋯球的質(zhì)量比為1:1.5:3，混合球磨24h，烘干，過100目篩得到陶瓷粉體；然后在陶瓷粉體中加入5%聚こ稀醇水溶液，混合、供干，過100目篩造粒；將造粒后的粉體壓制成圓柱樣品，在900 C空氣氣氛中燒結(jié)4h制得。
[0036]實施例3:
[0037]步驟ー:在60~80°C下，將C16H36O4Ti與こ酰丙酮按體積比5:1混合，加入適量的乙二醇甲醚，攪拌均勻后獲得C16H36O4Ti溶液；
[0038]步驟二:將1^03、211(勵3)2按1^:211摩爾比2:1混合，獲得的混合物加入適量的こ二醇攪拌，使LiN03、Zn (NO3) 2完全溶解，得到鋰鋅的混合溶液；
[0039]步驟三:按步驟二所得的鋰鋅混合溶液倒入到步驟ー的C16H36O4Ti溶液中，加入適量的冰醋酸，控制溶液的pH值在2~3范圍，恒溫攪拌3~5h，得到有色透明清液；靜置陳化穩(wěn)定12h后，于100°C干燥24h，得到干凝膠粉，在800°C空氣氣氛中預(yù)燒4h，獲得Li2ZnTi3O8粉體過100目篩，待用；
[0040]步驟四:取一定量制備好的Li2ZnTi3O8粉體，按照Bi2O3占Li2ZnTi3O8質(zhì)量的
0.5wt%，進行配料，配方編號為も。將Li2ZnTi3O8粉體和Bi2O3的混合物裝入球磨罐中，加入無水こ醇和無水こ醇，Li2ZnTi3O8粉體和Bi2O3的混合物、無水こ醇溶劑、無水こ醇的質(zhì)量比為1: 1.5:3，混合球磨24h，烘干，過100目篩得到陶瓷粉體；然后在陶瓷粉體中加入5%聚こ烯醇水溶液，混合、烘干，過100目篩造粒；將造粒后的粉體壓制成圓柱樣品，在875°C空氣氣氛中燒結(jié)4h制得。
[0041]實施例4:
[0042]步驟一:在60~80°C下，將C16H36O4Ti與乙酰丙酮按體積比5:1混合，加入適量的乙二醇甲醚，攪拌均勻后獲得C16H36O4Ti溶液；
[0043]步驟二:將LiN03、Zn (NO3) 2按L1: Zn摩爾比2:1混合，獲得的混合物加入適量的乙二醇攪拌，使LiN03、Zn (NO3) 2完全溶解，得到鋰鋅的混合溶液；
[0044]步驟三:按步驟二所得的鋰鋅混合溶液倒入到步驟一的C16H36O4Ti溶液中，加入適量的冰醋酸，控制溶液的pH值在2~3范圍，恒溫攪拌3~5h，得到有色透明清液；靜置陳化穩(wěn)定12h后，于100°C干燥24h，得到干凝膠粉，在800°C空氣氣氛中預(yù)燒4h，獲得Li2ZnTi3O8粉體過100目篩，待用；
[0045]步驟四:取一定量制備好的Li2ZnTi3O8粉體，按照Bi2O3占Li2ZnTi3O8質(zhì)量的0.75wt%，進行配料，配方編號為B2。將Li2ZnTi3O8粉體和Bi2O3的混合物裝入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，Li2ZnTi3O8粉體和Bi2O3的混合物、無水乙醇溶劑和氧化鋯球的質(zhì)量比為1:1.5:3，混合球磨24h，烘干，過100目篩得到陶瓷粉體；然后在陶瓷粉體中加入5%聚乙稀醇水溶液，混合、供干，過100目篩造粒；將造粒后的粉體壓制成圓柱樣品，在825 C空氣氣氛中燒結(jié)4h制得。
[0046]實施例5:
[0047]步驟一、在60~80°C下，將C16H36O4Ti與乙酰丙酮按體積比5:1混合，加入適量的乙二醇甲醚，攪拌均勻后獲得C16H36O4Ti溶液；
[0048]步驟二、將LiN03、Zn (NO3) 2按L1: Zn摩爾比2:1混合，獲得的混合物加入適量的乙二醇攪拌，使LiN03、Zn (NO3) 2完全溶解，得到鋰鋅的混合溶液；
[0049]步驟三、按步驟二所得的鋰鋅混合溶液倒入到步驟一的C16H36O4Ti溶液中，加入適量的冰醋酸，控制溶液的pH值在2~3范圍，恒溫攪拌3~5h，得到有色透明清液；靜置陳化穩(wěn)定12h后，于100°C干燥24h，得到干凝膠粉，在800°C空氣氣氛中預(yù)燒4h，獲得Li2ZnTi3O8粉體過100目篩，待用；
[0050]步驟四、取一定量制備好的Li2ZnTi3O8粉體，按照V2O5占Li2ZnTi3O8質(zhì)量的0.5wt%,進行配料，配方編號為％。將Li2ZnTi3O8粉體和V2O5的混合物裝入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，Li2ZnTi3O8粉體和V2O5的混合物、無水乙醇溶劑和氧化鋯球的質(zhì)量比為1:1.5:3,混合球磨24h，烘干，過100目篩得到陶瓷粉體；然后在陶瓷粉體中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，過100目篩造粒；將造粒后的粉體壓制成圓柱樣品，在850°C空氣氣氛中燒結(jié)4h制得。
[0051]實施例6:
[0052]步驟一、在60~80°C下，將C16H36O4Ti與乙酰丙酮按體積比5:1混合，加入適量的乙二醇甲醚，攪拌均勻后獲得C16H36O4Ti溶液；
[0053]步驟二、將1^03、211(吣3)2按1^:211摩爾比2:1混合，獲得的混合物加入適量的乙二醇攪拌，使LiN03、Zn (NO3) 2完全溶解，得到鋰鋅的混合溶液；
[0054]步驟三、按步驟二所得的鋰鋅混合溶液倒入到步驟一的C16H36O4Ti溶液中，加入適量的冰醋酸，控制溶液的pH值在2~3范圍，恒溫攪拌3~5h，得到有色透明清液；靜置陳化穩(wěn)定12h后，于100°C干燥24h，得到干凝膠粉，在800°C空氣氣氛中預(yù)燒4h，獲得 Li2ZnTi3O8粉體過100目篩，待用；
[0055]步驟四、取一定量制備好的Li2ZnTi3O8粉體，按照V2O5占Li2ZnTi3O8質(zhì)量的1.0wt%, 進行配料，配方編號為\。將Li2ZnTi3O8粉體和V2O5的混合物裝入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，Li2ZnTi3O8粉體和V2O5的混合物、無水乙醇溶劑和氧化鋯球的質(zhì)量比為 1:1.5:3,混合球磨24h，烘干，過100目篩得到陶瓷粉體；然后在陶瓷粉體中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，過100目篩造粒；將造粒后的粉體壓制成圓柱樣品，在800°C空氣氣氛中燒結(jié)4h制得。
[0056]表1是實施例1至6對應(yīng)的配方和介電性能。其中，介電性能測定采用Agilent E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀，根據(jù)Hakk1-Coleman諧振腔法測定介電常數(shù)e ,和品質(zhì)因子QXf，頻率溫度系數(shù)T f在25~80°C溫度范圍內(nèi)測定，并由公式:T f=(ft2-ftl)/(ftlX (Vt1))計算， 其中ft2和ftl分別為^=801:和t2=25°C下的諧振中心頻率。
[0057]表1陶瓷組分與介電性能
[0058]
【權(quán)利要求】
1.ー種半化學(xué)法制備的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于，由Li2ZnTi3O8粉體+xwt %助燒劑組成，所述Li2ZnTi3O8粉體采用溶膠凝膠技術(shù)制備，助燒劑為低熔點氧化物B203、Bi2O3J2O5中的一種，0.25≤X≤1.0wt%，X為助燒劑的質(zhì)量百分比。
2.所述鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在干，先用溶膠凝膠法制備鈦酸鋰鋅粉體即Li2ZnTi3O8粉體，再將Li2ZnTi3O8粉體和助燒劑混合采用固相反應(yīng)法制備鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述溶膠凝膠法制備鈦酸鋰鋅粉體的エ藝步驟，其包括如下步驟: 步驟ー:在60~80°C下，將C16H36O4Ti與こ酰丙酮按體積比5:1混合，加入適量的こ二醇甲醚，攪拌均勻后獲得C16H36O4Ti溶液； 步驟二:將1^03、211(勵3)2按1^:211摩爾比2:1混合，獲得的混合物加入適量的乙二醇攪拌，使LiN03、Zn (NO3) 2完全溶解，得到鋰鋅的混合溶液； 步驟三:按步驟二所得的鋰鋅混合溶液倒入到步驟一中的C16H36O4Ti溶液中，加入適量的冰醋酸，控制溶液的pH值在2~3范圍，恒溫攪拌3~5h，得到有色透明清液；靜置陳化穩(wěn)定12h后，于100°C干燥24h，得到干凝膠粉，在800°C空氣氣氛中預(yù)燒4h，獲得Li2ZnTi3O8粉體過100目篩，待用； 所述固相反應(yīng)法制備鈦酸鋰鋅微波介質(zhì)陶瓷，包括如下步驟: 步驟ー:將制備好的Li2ZnTi3O8粉體和B203、Bi2O3或V2O5中的ー種或幾種助燒劑按配比進行混合； 步驟二:將混合后的Li2ZnTi3O8粉體和助燒劑裝入球磨罐中，加入無水こ醇和氧化鋯球，混合后的Li2ZnTi3O8粉體和助燒劑、無水こ本醇溶劑、氧化鋯球的質(zhì)量比為1:1.5:3，混合球磨24h，烘干，過100目篩得到陶瓷粉體； 步驟三:然后在陶瓷粉體中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，過100目篩造粒；步驟四:將造粒后的粉體壓制成圓柱樣品，在800~900°C溫度下燒結(jié)4h，即得到微波介質(zhì)陶瓷材料。
【文檔編號】C04B35/622GK103601485SQ201310557962
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】何茗 申請人:成都工業(yè)學(xué)院