專(zhuān)利名稱(chēng)：溶膠凝膠技術(shù)制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于電子信息材料與元器件的，特別涉及一種制備鈮酸鎂(Mg4Nb209)微波陶瓷 粉體的方法。
背景技術(shù)：
微波(Microwave)是指波長(zhǎng)在lm到lmm，即頻率從300MHz到300GHz之間的電磁波。 微波介質(zhì)陶瓷(MWDC)是近年來(lái)國(guó)際上對(duì)電介質(zhì)材料研究的一個(gè)新動(dòng)向，這主要是為了適應(yīng) 微波移動(dòng)通訊的發(fā)展需求。20世紀(jì)后期，信息處理技術(shù)與電子信息數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合將通訊 系統(tǒng)推上了一個(gè)前所未有的新高峰。通信的終極目標(biāo)是要做到全時(shí)空的信息傳遞與交換，從 而使通訊機(jī)的高度可移動(dòng)性成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。
微波通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)基板材料和電子封裝陶瓷提出了更高的要求:很高的Q f值和較 低的介電常數(shù)。因此，許多高Q值材料得到了深入的研究和開(kāi)發(fā)，其中，剛玉結(jié)構(gòu)的A1203 陶瓷具有非常高的Q f=120000GHz和相對(duì)較低的介電常數(shù)。由于a -AIA陶瓷具有良好導(dǎo)熱 性能和優(yōu)異的微波介電性能，已被深入地進(jìn)行了研究，并得到了廣泛的應(yīng)用。然而，氧化鋁 陶瓷的燒結(jié)溫度一般在1600-180(TC之間，而且通過(guò)多相復(fù)合的方法不能改善其較大的負(fù)諧 振頻率溫度系數(shù)，這些都限制了a-八1203陶瓷作為低溫?zé)Y(jié)基板材料的進(jìn)一步發(fā)展。因此，研 制開(kāi)發(fā)新一代具有高Q值、低介電常數(shù)的微波介質(zhì)已成為微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。
自60年代Mg4NbA陶瓷被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已得到了許多研究。近期的研究還發(fā)現(xiàn)M^NbA化 合物具有與a -AIA相似的剛玉型晶體結(jié)構(gòu)，空間群為P3cl (第165號(hào))，晶格參數(shù)為a二5. 1612 和b=14. 028埃。晶體結(jié)構(gòu)決定了它具有優(yōu)異的微波介電性能，在140(TC燒結(jié)的Mg4Nb209陶瓷， Q f值可以達(dá)到200000GHz，而介電常數(shù)與a -八1203陶瓷幾乎接近。因此，Mg4NbA陶瓷可望 成為取代氧化鋁陶瓷的新一代高Q值基板陶瓷。
但是現(xiàn)有資料研究表明目前關(guān)于Mg0-NbA系統(tǒng)材料體系的制備技術(shù)整體上以固相合成 為主，體系合成溫度過(guò)高(合成溫度在100(TC以上)，所合成的陶瓷粉料粒度處于微米級(jí)別， 不利于后期微波陶瓷的燒結(jié)。基于上述現(xiàn)狀，本發(fā)明利用溶膠凝膠技術(shù)，通過(guò)液相法率先制 備Mg4NbA陶瓷納米級(jí)別粉體，為燒結(jié)該體系微波陶瓷提供優(yōu)質(zhì)納米粉料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服Mg0-NbA系統(tǒng)固相合成鈮酸鎂粉體溫度偏高、合成粉體粒度較大的 缺點(diǎn)，利用溶膠凝膠技術(shù)，制備納米級(jí)別的Mg4NbA陶瓷粉體。該技術(shù)合成的微波陶瓷粉體顆 粒細(xì)小、均勻，合成溫度低，可為燒結(jié)性能良好的鈮酸鎂微波陶瓷提供優(yōu)質(zhì)的前期粉體。
本發(fā)明的溶膠凝膠法制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制備方法，具有以下步驟 (1)配制鈮的檸檬酸水溶液(a) 根據(jù)鈮酸鎂(Mg4NbA)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)取五氧化二鈮，按照五氧化 二鈮與碳酸鉀的摩爾比為1:5 1:10配料，將兩者混合均勻，裝入高鋁坩堝內(nèi)，于700 1000 'C煅燒，得到鈮酸鉀；稱(chēng)取檸檬酸，加入500ml去離子水中，制成檸檬酸水溶液；
(b) 將步驟(1) (a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水，加入硝酸，調(diào)整其pH值為3 5， 確保全部生成鈮酸沉淀；
(c) 離心分離、洗滌步驟(1) (b)的鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到步驟(1) (a)的檸檬 酸水溶液中，并于水浴加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的擰檬酸水溶液，其中，擰檬酸與鈮
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(2) 配制鎂的檸檬酸水溶液
(a) 根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb209)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)取六水硝酸鎂，溶解于100ml 去離子水中；
(b) 向步驟(2)(a)的溶液中加入檸檬酸，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為5:l 10:l， 并溶解充分，調(diào)整其pH值為3 5;
(c) 水浴加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的擰檬酸水溶液；
(3) Mg-Nb前驅(qū)體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得
(a) 將上述步驟(1)、 (2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后 加入乙二醇作為酯化劑，乙二醇加入的摩爾量為檸檬酸的4-6倍；通過(guò)水浴加熱、不斷攪拌， 保證均勻，獲得Mg-Nb前驅(qū)體溶液；
(b) 將步驟(3) (a)制備的Mg-Nb前驅(qū)體溶液置于烘箱內(nèi)烘干，形成干凝膠；
(c) 將步驟(3) (b)的干凝膠置于高溫爐中煅燒處理，獲得顆粒均勻的納米級(jí)鈮酸鎂粉體。 所述步驟(1) (a)的煅燒時(shí)間是2 6小時(shí)。
所述步驟(1) (c)和(2) (c)的水浴溫度為45。C 8(TC。
所述步驟(3) (b)的烘干溫度為IOO"C。
所述步驟(3) (c)的煅燒處理溫度為55(rC 85(TC。
所述步驟(3) (c)制得的鈮酸鎂納米粉體的平均粒徑為40 80 nm。
本發(fā)明的有益效果是，利用溶膠凝膠技術(shù)在較低溫度下制備出的納米級(jí)Mg4Nb209陶瓷粉
體。該技術(shù)合成的微波陶瓷粉體顆粒細(xì)小、均勻，具有納米級(jí)別的尺度，具有良好的燒結(jié)特 性，粉體純度高，沒(méi)有任何雜質(zhì)，可作為后期陶瓷燒結(jié)的優(yōu)質(zhì)粉體。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，本發(fā)明所用原料均采用市售的化學(xué)純?cè)稀?實(shí)施例l
(1)配制鈮的檸檬酸水溶液
(a) 根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb209)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，分別稱(chēng)取五氧化二鈮粉體5. 326 克、檸檬酸19.2克，以及助溶劑碳酸鉀14.293克，其中，五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為
1: 10;將檸檬酸加入500ml去離子水中，形成檸檬酸水溶液；將五氧化二鈮粉末與碳酸鉀粉
末混合均勻，裝入高鋁坩鍋內(nèi)，在800度煅燒4h，得到鈮酸鉀；
(b) 將步驟(a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水中，加入硝酸，調(diào)整其pH值為4，確保全部生成鈮酸沉淀；
(c)離心分離、洗滌上述鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到檸檬酸水溶液中，并于水浴80 °。加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為5:1;
(2) 配制鎂的檸檬酸水溶液
(a) 根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb209)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)量六水硝酸鎂20.513克，溶 解于100ml去離子水中；
(b) 然后稱(chēng)量檸檬酸20克，并加入到將上述溶液，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為 5:1，保證溶解充分，調(diào)整其pH值為4;
(c) 水浴8(TC加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的擰檬酸水溶液。
(3) Mg-Nb前驅(qū)體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得
(a) 將上述(1)、 (2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后加入 乙二醇作為酯化劑，乙二醇加入的摩爾量為檸檬酸的5倍；通過(guò)水浴8(TC加熱、不斷攪拌， 保證均勻，獲得Mg-Nb前驅(qū)體溶液；
(b) 將制備的Mg-Nb前驅(qū)體溶液置于烘箱IO(TC進(jìn)行烘干，形成干凝膠；
(c) 采用箱式電阻爐55(TC氧氣氣氛下將干凝膠進(jìn)行煅燒處理；通過(guò)進(jìn)一步研磨，可得 均勻、顆粒細(xì)小的納米級(jí)鈮酸鎂(Mg4Nb209)粉體。
采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(JEOL JSM-7600F， Japan)測(cè)試該納米粉體顆粒的平均粒徑分布為 40-50 nm。 實(shí)施例2
(1) 配制鈮的檸檬酸水溶液
(a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb209)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，分別稱(chēng)取五氧化二鈮粉體5. 326 克、檸檬酸19.2克，以及助溶劑碳酸鉀14.293克，其中，五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為
1: 10;將檸檬酸加入500ml去離子水中，形成檸檬酸水溶液；將五氧化二鈮粉末與碳酸鉀粉
末混合均勻，裝入高鋁坩鍋內(nèi)，在800度煅燒4h，得到鈮酸鉀；
(b) 將步驟(a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水中，加入硝酸，調(diào)整其pH值為4，確保全 部生成鈮酸沉淀；
(c) 離心分離、洗滌上述鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到檸檬酸水溶液中，并于水浴80 "C加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，擰檬酸與鈮離子的摩爾比為5:1;
(2) 配制鎂的檸檬酸水溶液
(a) 根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb209)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)量六水硝酸鎂20.513克，溶 解于100ml去離子水中；
(b) 然后稱(chēng)量檸檬酸20克，并加入到將上述溶液，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為 5:1，保證溶解充分，調(diào)整其pH值為4;
(c) 水浴8(TC加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的檸檬酸水溶液。
(3) Mg-Nb前驅(qū)體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得
(a)將上述(1)、 (2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后加入 乙二醇作為酯化劑，乙二醇的加入摩爾量為檸檬酸的5倍；通過(guò)水浴80。C加熱、不斷攪拌， 保證均勻，獲得Mg-Nb前驅(qū)體溶液；(b) 將制備的Mg-Nb前驅(qū)體溶液置于烘箱IOCTC進(jìn)行烘干，形成干凝膠；
(c) 采用箱式電阻爐650'C氧氣氣氛下將干凝膠進(jìn)行煅燒處理；通過(guò)進(jìn)一步研磨，可得均 勻、顆粒細(xì)小的納米級(jí)鈮酸鎂(Mg4NbA)粉體。
采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(JEOL JSM-7600F, Japan)測(cè)試該納米粉體顆粒的平均粒徑分布為 50-60 nm。 實(shí)施例3
(1) 配制鈮的檸檬酸水溶液
(a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb209)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，分別稱(chēng)取五氧化二鈮粉體5. 326 克、檸檬酸19.2克，以及助溶劑碳酸鉀14. 293克，其中，五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為 1: 10;將檸檬酸加入500na去離子水中，形成檸檬酸水溶液；將五氧化二鈮粉末與碳酸鉀粉 末混合均勻，裝入高鋁坩鍋內(nèi)，在800度煅燒4h，得到鈮酸鉀；
(b) 將歩驟(a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水中，加入硝酸，調(diào)整其pH值為4，確保全 部生成鈮酸沉淀；
(c) 離心分離、洗滌上述鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到檸檬酸水溶液中，并于水浴80 'C加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為5:1;
(2) 配制鎂的檸檬酸水溶液
(a) 根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb209)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)量六水硝酸鎂20.513克，溶 解于100ml去離子水中；
(b) 然后稱(chēng)量檸檬酸20克，并加入到將上述溶液，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為 5:1，保證溶解充分，調(diào)整其pH值為4;
(c) 水浴8(TC加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的檸檬酸水溶液。
(3) Mg-Nb前驅(qū)體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得
(a) 將上述(1)、 (2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后加入 乙二醇作為酯化劑，乙二醇的加入摩爾量為檸檬酸的5倍；通過(guò)水浴8(TC加熱、不斷攪拌， 保證均勻，獲得Mg-Nb前驅(qū)體溶液；
(b) 將制備的Mg-Nb前驅(qū)體溶液置于烘箱IOO'C進(jìn)行烘干，形成干凝膠；(c) 采用箱式電阻爐75(TC氧氣氣氛下將干凝膠進(jìn)行煅燒處理；通過(guò)進(jìn)一步研磨，可得均 勻、顆粒細(xì)小的納米級(jí)鈮酸鎂(Mg4Nb209)粉體。
采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(JEOL JSM-7600F, Japan)測(cè)試該納米粉體顆粒的平均粒徑分布為 60-70 nm。 實(shí)施例4
(1)配制鈮的檸檬酸水溶液
(a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb209)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，分別稱(chēng)取五氧化二鈮粉體5. 326 克、檸檬酸19.2克，以及助溶劑碳酸鉀14.293克，其中，五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為
1: 10;將檸檬酸加入500ml去離子水中，形成檸檬酸水溶液；將五氧化二鈮粉末與碳酸鉀粉
末混合均勻，裝入高鋁坩鍋內(nèi)，在800度煅燒4h，得到鈮酸鉀；
(b)將步驟(a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水中，加入硝酸，調(diào)整其pH值為4，確保全 部生成鈮酸沉淀；(c)離心分離、洗滌上述鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到檸檬酸水溶液中，并于水浴80 'C加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為5:1;
(2) 配制鎂的檸檬酸水溶液
(a) 根據(jù)鈮酸鎂(Mg4NbA)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)量六水硝酸鎂20.513克，溶 解于100ml去離子水中；
(b) 然后稱(chēng)量檸檬酸20克，并加入到將上述溶液，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為 5:1，保證溶解充分，調(diào)整其pH值為4;
(c) 水浴8(TC加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的檸檬酸水溶液。
(3) Mg-Nb前驅(qū)體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得
(a) 將上述(1)、 (2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后加入 乙二醇作為酯化劑，乙二醇的加入摩爾量為檸檬酸的5倍；通過(guò)水浴8(TC加熱、不斷攪拌， 保證均勻，獲得Mg-Nb前驅(qū)體溶液；
(b) 將制備的Mg-Nb前驅(qū)體溶液置于烘箱IO(TC進(jìn)行烘干，形成干凝膠；
(c) 采用箱式電阻爐85(TC氧氣氣氛下將干凝膠進(jìn)行煅燒處理；通過(guò)進(jìn)一步研磨，可得均 勻、顆粒細(xì)小的納米級(jí)鈮酸鎂(Mg4Nb209)粉體。
采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(JEOL JSM-7600F， Japan)測(cè)試該納米粉體顆粒的平均粒徑分布為 70-80 nm。
本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，很多細(xì)節(jié)的變化是可能的，但這并不因此違背本發(fā)明的 范圍和精神。
權(quán)利要求
1. 一種溶膠凝膠技術(shù)制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的方法，具有以下步驟(1)配制鈮的檸檬酸水溶液(a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)取五氧化二鈮，按照五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為1∶5～1∶10配料，將兩者混合均勻，裝入高鋁坩堝內(nèi)，于700～1000℃煅燒，得到鈮酸鉀；稱(chēng)取檸檬酸，加入500ml去離子水中，制成檸檬酸水溶液；(b)將步驟(1)(a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水，加入硝酸，調(diào)整其pH值為3～5，確保全部生成鈮酸沉淀；(c)離心分離、洗滌步驟(1)(b)的鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到步驟(1)(a)的檸檬酸水溶液中，并于水浴加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為2∶1～6∶1；(2)配制鎂的檸檬酸水溶液(a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)取六水硝酸鎂，溶解于100ml去離子水中；(b)向步驟(2)(a)的溶液中加入檸檬酸，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為5∶1～10∶1，并溶解充分，調(diào)整其pH值為3～5；(c)水浴加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的檸檬酸水溶液；(3)Mg-Nb前驅(qū)體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得(a)將上述步驟(1)、(2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后加入乙二醇作為酯化劑，乙二醇加入的摩爾量為檸檬酸的4-6倍；通過(guò)水浴加熱、不斷攪拌，保證均勻，獲得Mg-Nb前驅(qū)體溶液；(b)將步驟(3)(a)制備的Mg-Nb前驅(qū)體溶液置于烘箱內(nèi)烘干，形成干凝膠；(c)將步驟(3)(b)的干凝膠置于高溫爐中煅燒處理，獲得顆粒均勻的納米級(jí)鈮酸鎂粉體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟(1) (a)的煅燒時(shí)間是2 6小時(shí)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的溶膠凝膠法制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，所 述步驟(1) (c)和(2) (c)的水浴溫度為45。C 8(TC。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的溶膠凝膠法制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，所 述步驟(3) (b)的烘干溫度為IO(TC。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的溶膠凝膠法制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，所 述步驟(3) (c)的煅燒處理溫度為55(TC 85(TC。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟(3) (c)制得的鈮酸鎂納米粉體的平均粒徑為40 80 nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種溶膠凝膠技術(shù)制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的方法，步驟為(1)配制鈮的檸檬酸水溶液，(2)配制鎂的檸檬酸水溶液，(3)Mg-Nb前驅(qū)體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得。本發(fā)明克服了目前固相法合成鈮酸鎂微波陶瓷粉體溫度高、粒度大的缺點(diǎn)，在煅燒溫度為550～850℃條件下，制備出平均粒徑為40～80nm的鈮酸鎂陶瓷納米粉體。
文檔編號(hào)C04B35/626GK101531528SQ20091006845
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月13日
發(fā)明者吳海濤, 平 張, 曹麗鳳, 李玲霞 申請(qǐng)人:天津大學(xué)