專利名稱：中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷的制作方法
技術領域：
本發明是關于電子信息材料與元器件的，尤其涉及一種中溫燒結的鈦酸鎂基微波介質陶瓷。
背景技術：
微波應用頻率正在向更高頻段發展，在毫米波亞毫米波頻段內，具有適當介電常數和極高品質因數的溫度穩定性微波介質陶瓷是制造毫米波微波無源器件的基礎。MgTiO3 陶瓷作為一種傳統的微波介質材料，在毫米波段仍然具有其優異的微波介電性能高的品質因數(160，000GHz)，適當的介電常數(17)，但燒結溫度高達1450°C，且燒結范圍窄。國內外研究者做了諸多研究，以求降低MgTiO3基陶瓷的燒結溫度。朱海奎等在MgTiO3中加入 CaO-SiO2-B2O3等玻璃，來改善其燒結特性，研究發現在1240 1300°C之間MgTiO3可以燒結成瓷，介電性能為tgo 10_4GHz，er = 17.5, τ ε ^ -66ppm/°C。童建喜等人研究了添加Li2O-B2O3-SW2玻璃低溫燒結MgTiO3陶瓷，其預燒溫度為1100°C，添加20%質量分數的玻璃時，燒結溫度降低至890°C，但微波介電性能不理想ε ^ = 16. 4，QXf = 11 640GHz， Tf^-L 5ppm/°C。私-Mei Miao利用溶膠凝膠法制備納米粉體，在1200°C燒結，得到性能較好的 MgTiO3 微波介質陶瓷ε r = 16. 6, QXf = 42 600GHz，τ f ^ _41ppm/°C。Qi-Long Zhang等通過加入5mol %的Bi2O3-V2O5將燒結溫度降低至875°C，所得微波介電性能為ε r =20. 6, QXf = 10 420GHz。通過對上述研究的回顧，不難發現降低MgTiO3體系的燒結溫度一般需加入玻璃等燒結助劑，且得到的陶瓷體微波介電性能與體系本身相差較大。同時確定玻璃的配方以及制備玻璃的過程都十分復雜。以簡單的方法降低MgTiO3陶瓷的燒結溫度，并保持體系本身良好的微波介電性能一直是研究者追求的目標。聚乙烯醇(簡稱PVA)通常被用作粘合劑對陶瓷粉體進行造粒，其在球磨過程中對陶瓷粉體的分散作用尚未被廣泛研究。聚乙烯醇屬于高分子表面活性劑，它含有大量的羥基，可以用作分散劑。在二次球磨過程中加入適量 PVA粉末，可以起分散粉體的作用，提高球磨效率，在一定程度上細化粉體，進而降低陶瓷的燒結溫度。由于PVA同時起到粘合劑的作用，省去了傳統工藝中添加大量粘合劑造粒的環節，使得陶瓷體的密度顯著增大，微波介電性能有一定的改善。
發明內容
本發明的目的是以簡單的方法降低MgTiO3陶瓷的燒結溫度，并保持體系本身良好的微波介電性能，本發明以MgO、TiO2為主要原料，加入聚乙烯醇粉末后，通過行星式球磨， 得到可以在中溫燒結成瓷的、具有極高品質因數的MgTiO3基微波介質陶瓷材料。本發明中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷，原料組分及其摩爾百分比含量為MgTiO3 ；制備步驟如下(1)將原料MgO，TiO2分別按MgTiO3的化學計量比稱量配料，再將上述粉料放入尼龍罐中，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)將步驟(2)過篩后的陶瓷粉料放入坩堝中，在900°C下煅燒2-6小時；(4)將步驟(3)煅燒后的粉料稱量6_25g置于尼龍罐中，加入質量百分比為 0. 5-2%的聚乙烯醇，而后加入去離子水和鋯球，球磨6-M小時；(5)將步驟(4)球磨后的原料置于干燥箱中于80-130°C烘干，烘干后過80目篩， 再用粉末壓片機以2_6MPa的壓力壓成生坯，將生坯于1120-1375°C燒結2_8小時，制得鈦酸鎂基微波介質陶瓷；(6)將步驟( 制得的鈦酸鎂基微波介質陶瓷進行物理及介電性能檢測。所述步驟(1)的原料為純度大于99. 9%的分析純原料。所述步驟(1)、步驟⑷的料水球的質量比為1:7:7。所述步驟的聚乙烯醇為粘合劑和分散劑，型號為1788。所述步驟(5)的燒結溫度為1140°C。所述步驟⑴優選的球磨時間為12小時；所述步驟(2)、步驟(5)優選的烘干溫度為110°C;所述步驟(3)優選的煅燒時間為2小時；所述步驟(4)優選的聚乙烯醇加入量為1%，球磨時間為12小時。本發明的有益效果是，通過在二次球磨時加入PVA粉末，在中溫1140°C燒結，成功制備了高性能MgTiO3基微波介質陶瓷，其電常數、為17. 11 17. 95，品質因數QXf為 210800 M3500GHZ，諧振頻率溫度系數τ f為-50 -40ppm/°C。本發明省去了傳統工藝的造粒環節，節省了時間成本和能源成本，生產過程更加環保，使得該類材料在微波通信方面應用更加廣泛，推動了該體系材料的商業化應用。
圖1是本發明中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷的傳統工藝；圖2是本發明中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷的改進工藝。
具體實施例方式本發明采用市售的純度大于99. 9%的分析純原料1%0，1102作為初始原料，采用改進的傳統燒結工藝制備鈦酸鎂基微波介質陶瓷。實施例1依照微波介質陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，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，轉速為 1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉速為1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，加入石蠟造粒，過篩 80目后，再用粉末壓片機以4ΜΙ^的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1140°C燒結4小時制得微波介質陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例2
依照微波介質陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，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，轉速為1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°c下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0.09g的PVA(型號為1788)粉末，而后加入150ml 去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉速為1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以的壓力壓成直徑10mm、 高度5mm生坯。將生坯于1140°C燒結4小時制得微波介質陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例3依照微波介質陶瓷組分MgTiO3,稱取99g、MgO 4. 03g配料，混合粉料放入尼龍罐中，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，轉速為 1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 09g的PVA (型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉速為1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，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1140°C燒結4小時制得微波介質陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例4依照微波介質陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，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，轉速為 1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取20g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 30g的PVA(型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉速為1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1140°C燒結4小時制得微波介質陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例5依照微波介質陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，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，轉速為 1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 09g的PVA (型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉速為1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，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1120°C燒結4小時制得微波介質陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例6依照微波介質陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，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，轉速為 1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 09g的PVA (型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉速為1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以的壓力壓成直徑10mm、高度 5mm生坯。將生坯于1200°C燒結4小時制得微波介質陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例7依照微波介質陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，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，轉速為 1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取6g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 12g的PVA (型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉速為1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，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1140°C燒結4小時制得微波介質陶瓷。測量樣品的微波介電性能。實施例8依照微波介質陶瓷組分MgTiO3,稱取Ti0214. 38g、MgO 7. 25g配料，混合粉料放入尼龍罐中，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，轉速為 1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干并過40目篩，將粉料900°C煅燒2小時。 稱取20g粉料置于尼龍罐中，并加入0. 30g的PVA(型號為1788)粉末，而后加入150ml去離子水和150g的鋯球后，在行星式球磨機上球磨12小時，轉速為1000轉/分。出料后置于干燥箱中120°C下烘干，過篩80目后，再用粉末壓片機以的壓力壓成直徑10mm、高度5mm生坯。將生坯于1200°C燒結4小時制得微波介質陶瓷。測量樣品的微波介電性能。本發明實施例的各項關鍵參數及介電性能檢測結果詳見表1。表 權利要求
1.一種中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷，原料組分及其摩爾百分比含量為 MgTiO3；制備步驟如下(1)將原料MgO，TiO2分別按MgTiO3的化學計量比稱量配料，再將上述粉料放入尼龍罐中，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)將步驟(2)過篩后的陶瓷粉料放入坩堝中，在900°C下煅燒2-6小時；(4)將步驟C3)煅燒后的粉料稱量6-25g置于尼龍罐中，加入質量百分比為0.5-2%的聚乙烯醇，而后加入去離子水和鋯球，球磨6-M小時；(5)將步驟(4)球磨后的原料置于干燥箱中于80-130°C烘干，烘干后過80目篩，再用粉末壓片機以2-6MPa的壓力壓成生坯，將生坯于1120-1375°C燒結2_8小時，制得鈦酸鎂基微波介質陶瓷；(6)將步驟( 制得的鈦酸鎂基微波介質陶瓷進行物理及介電性能檢測。
2.根據權利要求1的中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷，其特征在于，所述步驟(1)的原料為純度大于99. 9%的分析純原料。
3.根據權利要求1的中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷，其特征在于，所述步驟(1)、步驟⑷的料水球的質量比為1:7:7。
4.根據權利要求1的中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷，其特征在于，所述步驟的聚乙烯醇為粘合劑和分散劑，型號為1788。
5.根據權利要求1的中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷，其特征在于，所述步驟(5)的燒結溫度為1140°C。
6.根據權利要求1的中溫制備燒結高品質因數的Q值鈦酸鎂基微波介質陶瓷的方法， 其特征在于，所述步驟(1)優選的球磨時間為12小時；所述步驟O)、步驟( 優選的烘干溫度為110°C;所述步驟(3)優選的煅燒時間為2小時；所述步驟(4)優選的聚乙烯醇加入量為1%，球磨時間為12小時。
全文摘要
本發明公開了一種中溫燒結高品質因數的鈦酸鎂基微波介質陶瓷，制備步驟為(1)將MgO，TiO2按MgTiO3的化學計量比稱量配料、球磨；(2)烘干、過篩；(3)900℃下煅燒；(4)加入聚乙烯醇二次球磨；(5)烘干，過篩，壓制成型，于1120℃-1375℃燒結；(6)物理及介電性能檢測。本發明通過加入聚乙烯醇后二次球磨，得到了1140℃中溫燒結、具有極高品質因數的MgTiO3基微波介質陶瓷材料，克服了現有技術高達1450℃燒結的缺點，使該體系陶瓷的應用更廣泛，成本更低廉，生產過程更環保，為微波毫米波通信器件提供了理想材料。
文檔編號C04B35/622GK102219500SQ20111010559
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月26日 優先權日2011年4月26日
發明者丁響, 李玲霞 申請人:天津大學