CN104230328A - 一种中温烧结低介微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料科学领域，旨在提供一种中温烧结低介微波介质陶瓷材料及其制备方法。本发明中温烧结低介微波介质陶瓷材料的化学表达式为(1-x)Mg2SnO4–xLFV，其中：复合烧结助剂LFV为LiF-Fe2O3-V2O5，x＝2～5wt％，所述LiF-Fe2O3-V2O5中是由原料LiF，Fe2O3和V2O5的质量含量比为4∶1∶2组成。本发明的有益效果是：加入复合烧结助剂LFV，在陶瓷烧结过程中助剂熔化，形成液相，同时Fe离子进入Mg2SnO4晶格，共同促进烧结传质过程，显著降低Mg2SnO4陶瓷材料的烧结温度，可在1025-1075℃下致密烧结。
Description
技术领域
本发明属于材料科学领域，具体涉及一种中温烧结低介微波介质陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着移动通讯技术的迅速发展，对介质电容、谐振器与滤波器等微波元器件所用的微波介质陶瓷材料的要求日益增长。微波频段资源有限，工作频率逐渐向高频毫米波扩展，需要元器件使用具有低介电常数(εr<10)的微波介质陶瓷材料，以达到减少交叉耦合效应、降低信号延迟等目的。
Mg2SnO4陶瓷材料具有低介电常数(εr＝8.41)，低介电损耗(品质因子即Q×f值高达5×104GHz)等优异介电特性，作为微波元器件介质材料具有广阔应用前景。目前主要集中在改性掺杂研究，如Chen YC等在《Materials Chemistry and Physics》2012年133期829页发表的“Enhancement microwave dielectric properties of Mg2SnO4 ceramics bysubstituting Mg2+with Ni2+”一文中，使用Ni掺杂的方法提高了Mg2SnO4陶瓷的品质因子，减少介电损耗。Zhou J等在《Journal of Materials Science∶Materials in Electronics》2014年第25卷第1期500页发表的“Enhanced effect of non-stoichiometry on thesinterability and microwave dielectric properties of Mg2+xSnO4ceramics”一文中，采用了Mg位非化学计量比的方法提高了Mg2SnO4陶瓷的烧结性能并降低其介电损耗。
然而目前研究的Mg2SnO4微波陶瓷较难烧结，烧结温度均高于1550℃，无法满足微波器件制造工艺中与低成本金属电极共烧的工艺要求，阻碍本体系的工业应用。本发明在Mg2SnO4陶瓷材料中引入LFV(LiF-Fe2O3-V2O5)复合烧结助剂，克服现有技术的不足，开发出一种能与70Ag/30Pd电极共烧的中温烧结的低介微波介质陶瓷材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种中温烧结低介微波介质陶瓷材料及其制备方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种中温烧结低介微波介质陶瓷材料，所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的化学表达式为(1-x)Mg2SnO4–xLFV，其中：复合烧结助剂LFV为LiF-Fe2O3-V2O5，x＝2～5wt％，所述LiF-Fe2O3-V2O5中是由原料LiF，Fe2O3和V2O5的质量含量比为4∶1∶2组成。
本发明中，还提供一种所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：按摩尔比SnO2∶MgO＝1∶2称取原料SnO2和MgO，进行球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中以1200℃进行烧制，然后球磨制得Mg2SnO4粉末；
步骤(2)：按质量含量比为LiF∶Fe2O3∶V2O5＝4∶1∶2称取原料LiF、Fe2O3和V2O5进行混合，得到复合烧结助剂LFV；
步骤(3)：按质量含量比Mg2SnO4∶LFV＝(1-x)∶x称取步骤(1)制得Mg2SnO4、步骤(2)中制得复合烧结助剂LFV，其中x＝2～5wt％，球磨混合4h；
步骤(4)：在步骤(3)制得混合粉料中加入5％聚乙烯醇水溶液进行造粒，在150MPa压强下压制，制备出直径18mm、厚度9mm的圆柱状坯体；
步骤(5)：将步骤(4)中制得的坯体以2℃/min升温到550℃保温1h，然后以5℃/min升温到1025～1075℃保温烧结4h，即制得所述的中温烧结低介微波介质陶瓷材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
加入复合烧结助剂LFV，在陶瓷烧结过程中助剂熔化，形成液相，同时Fe离子进入Mg2SnO4晶格，共同促进烧结传质过程，显著降低Mg2SnO4陶瓷材料的烧结温度，可在1025-1075℃下致密烧结。另外，得到的(1-x)Mg2SnO4-xLFV陶瓷(x＝2～5wt％)保持了良好的介电性能：介电常数(εr)为7.72-7.97，品质因子Q×f为19600～41400GHz。陶瓷与70Ag/30Pd电极共烧样品断面的扫描电镜图以及能谱线扫描结果中可以看出，陶瓷材料与70Ag/30Pd电极不发生反应和明显扩散，满足陶瓷-电极共烧工艺要求，能够应用于制备电容器、天线、滤波器等单层或多层微波元器件。
附图说明
图1为本发明制备的中温烧结低介微波介质陶瓷材料与70Ag/30Pd电极共烧样品断面的扫描电镜图以及能谱线扫描结果。
具体实施方式
以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明：
实施例1：
所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的化学表达式为(1-x)Mg2SnO4–xLFV，其中复合烧结助剂LFV为LiF-Fe2O3-V2O5，x＝2wt％，所述LiF-Fe2O3-V2O5中是由原料LiF，Fe2O3和V2O5的质量含量比为4∶1∶2组成。
所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1)：按摩尔比SnO2∶MgO＝1∶2称量原料SnO2和MgO，球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中在1200℃烧制，球磨制备Mg2SnO4粉末。
步骤2)：按质量比4∶1∶2分别称量原料LiF、Fe2O3和V2O5得到复合烧结助剂LFV；并称量步骤1)制得Mg2SnO4粉末，使其与复合烧结助剂LFV的质量含量分别为98％、2％，球磨混合4h。
步骤3)：称量步骤2)混合所得粉末，加入5％的聚乙烯醇水溶液，造粒；在压片机下以150MPa压强压制成直径18mm、厚度9mm的圆柱形坯体。
步骤4)：将步骤3)中制备的坯体以2℃/min升温到550℃保温1h，然后以5℃/min升温到1075℃保温烧结4h，即制得本发明所述的中温烧结低介微波介质陶瓷材料。
按照前述配方和步骤制得的中温烧结低介微波介质陶瓷材料，各项性能指标为：烧结温度1075℃，密度4.48g/cm3，介电常数εr＝7.72，品质因子Q×f＝19600GHz。
实施例2：
所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的化学表达式为(1-x)Mg2SnO4–xLFV，其中复合烧结助剂LFV为LiF-Fe2O3-V2O5，x＝3wt％，所述LiF-Fe2O3-V2O5中是以原料LiF∶Fe2O3∶V2O5的质量含量比为4∶1∶2组成。
所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1)：按摩尔比SnO2∶MgO＝1∶2称量原料SnO2和MgO，球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中在1200℃烧制，球磨制备Mg2SnO4粉末。
步骤2)：按质量比4∶1∶2分别称量原料LiF、Fe2O3和V2O5得到复合烧结助剂LFV；并称量步骤1)制得Mg2SnO4粉末，使其与复合烧结助剂LFV的质量含量分别为97％、3％，球磨混合4h。
步骤3)：称量步骤2)混合所得粉末，加入5％的聚乙烯醇水溶液，造粒；在压片机下以150MPa压强压制成直径18mm、厚度9mm的圆柱形坯体。
步骤4)：将步骤3)中制备的坯体以2℃/min升温到550℃保温1h，然后以5℃/min升温到1075℃保温烧结4h，即制得本发明所述的中温烧结低介微波介质陶瓷材料。
按照前述配方和步骤制得的中温烧结低介微波介质陶瓷材料，各项性能指标为：烧结温度1075℃，密度4.60g/cm3，介电常数εr＝7.97，品质因子Q×f＝21400GHz。
实施例3：
所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的化学表达式为(1-x)Mg2SnO4–xLFV，其中复合烧结助剂LFV为LiF-Fe2O3-V2O5，x＝4wt％，所述LiF-Fe2O3-V2O5中是以原料LiF∶Fe2O3∶V2O5的质量含量比为4∶1∶2组成。
所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1)：按摩尔比SnO2∶MgO＝1∶2称量原料SnO2和MgO，球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中在1200℃烧制，球磨制备Mg2SnO4粉末。
步骤2)：按质量比4∶1∶2分别称量原料LiF、Fe2O3和V2O5得到复合烧结助剂LFV；并称量步骤1)制得Mg2SnO4粉末，使其与复合烧结助剂LFV的质量含量分别为96％、4％，球磨混合4h。
步骤3)：称量步骤2)混合所得粉末，加入5％的聚乙烯醇水溶液，造粒；在压片机下以150MPa压强压制成直径18mm、厚度9mm的圆柱形坯体。
步骤4)：将步骤3)中制备的坯体以2℃/min升温到550℃保温1h，然后以5℃/min升温到1050℃保温烧结4h，即制得本发明所述的中温烧结低介微波介质陶瓷材料。
按照前述配方和步骤制得的中温烧结低介微波介质陶瓷材料，各项性能指标为：烧结温度1050℃，密度4.59g/cm3，介电常数εr＝7.90，品质因子Q×f＝41400GHz。
实施例4：
所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的化学表达式为(1-x)Mg2SnO4–xLFV，其中复合烧结助剂LFV为LiF-Fe2O3-V2O5，x＝5wt％，所述LiF-Fe2O3-V2O5中是以原料LiF∶Fe2O3∶V2O5的质量含量比为4∶1∶2组成。
所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1)：按摩尔比SnO2∶MgO＝1∶2称量原料SnO2和MgO，球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中在1200℃烧制，球磨制备Mg2SnO4粉末。
步骤2)：按质量比4∶1∶2分别称量原料LiF、Fe2O3和V2O5得到复合烧结助剂LFV，并称量步骤1)制得Mg2SnO4粉末，使其与复合烧结助剂LFV的质量含量分别为95％、5％，球磨混合4h。
步骤3)：称量步骤2)混合所得粉末，加入5％的聚乙烯醇水溶液，造粒；在压片机下以150MPa压强压制成直径18mm、厚度9mm的圆柱形坯体。
步骤4)：将步骤3)中制备的坯体以2℃/min升温到550℃保温1h，然后以5℃/min升温到1025℃保温烧结4h，即制得本发明所述的中温烧结低介微波介质陶瓷材料。
按照前述配方和步骤制得的中温烧结低介微波介质陶瓷材料，各项性能指标为：烧结温度1025℃，密度4.56g/cm3，介电常数εr＝7.93，品质因子Q×f＝28700GHz。
根据图1是本发明中上述各个实施例制备的中温烧结低介微波介质陶瓷材料与70Ag/30Pd电极共烧样品断面的扫描电镜图以及能谱线扫描结果：该曲线代表扫描部分各元素的含量变化，可以看出电极与陶瓷材料界面清晰，几乎没有发生电极扩散进入陶瓷、在陶瓷中析出或者与陶瓷材料反应的不利情况。
因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。
Claims (2)
1.一种中温烧结低介微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的化学表达式为(1-x)Mg2SnO4–xLFV，其中：复合烧结助剂LFV为LiF-Fe2O3-V2O5，x＝2～5wt％，所述LiF-Fe2O3-V2O5中是由原料LiF，Fe2O3和V2O5的质量含量比为4∶1∶2组成。
2.一种基于权利要求1中所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤(1)：按摩尔比SnO2∶MgO＝1∶2称取原料SnO2和MgO，进行球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中以1200℃进行烧制，然后球磨制得Mg2SnO4粉末；
步骤(2)：按质量含量比为LiF∶Fe2O3∶V2O5＝4∶1∶2称取原料LiF、Fe2O3和V2O5进行混合，得到复合烧结助剂LFV；
步骤(3)：按质量含量比Mg2SnO4∶LFV＝(1-x)∶x称取步骤(1)制得Mg2SnO4、步骤(2)中制得复合烧结助剂LFV，其中x＝2～5wt％，球磨混合4h；
步骤(4)：将步骤(3)制得混合粉料中加入5％聚乙烯醇水溶液进行造粒，并在150MPa压强下进行压制，制备出直径18mm、厚度9mm的圆柱状坯体；
步骤(5)：将步骤(4)制得的坯体以2℃/min升温到550℃保温1h，然后以5℃/min升温到1025～1075℃保温烧结4h，即制得所述中温烧结低介微波介质陶瓷材料。
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