一種低溫?zé)Y(jié)Zn2Si04微波介質(zhì)陶瓷的方法
【專利摘要】一種低溫?zé)Y(jié)2!!28104微波介質(zhì)陶瓷的方法，取Zn2Si04微波介質(zhì)陶瓷粉體，加入聚乙二醇超聲分散、再加入飽和CuS04、和還原性金屬粉進(jìn)行機械攪拌、抽濾、干燥、鍛燒、過篩、成型燒結(jié)得到Zn2Si04微波介質(zhì)陶瓷；本發(fā)明過程無污染，在介電常數(shù)基本保持不變的同時，燒結(jié)溫度在135CTC的基礎(chǔ)上降低了約350°C，Q?f可以達(dá)到60000GHz以上，諧振頻率溫度系數(shù)向正方向移動，實現(xiàn)了與Cu電極共燒。
【專利說明】一種低溫?zé)Y(jié)Zn2S i O4微波介質(zhì)陶瓷的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料科學(xué)中的微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域，具體的說是涉及一種化學(xué)置換法引 入氧化物助燒劑降低Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷燒結(jié)溫度的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] Zn2SiO4是一種重要的化合物，具有其特有的物理及化學(xué)特性，被廣泛的運用于制 造生物材料、熒光材料和微波介質(zhì)陶瓷。Zn 2SiO4由于具有優(yōu)異的介電性能，較低的介電損 耗(理想的品質(zhì)因子為219000GHz)、穩(wěn)定的介電常數(shù)（ε ,=6. 6)和較高的熱導(dǎo)率，在低溫共 燒（LTCC)技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用潛力。但是Zn2SiO4陶瓷固有燒結(jié)溫度在1300°C以上， 對于LTCC技術(shù)，Zn 2SiO4陶瓷較高的燒結(jié)溫度不能滿足與較低熔點的金屬Ag (961°C)、Cu (1064°C )共燒，所以降低燒結(jié)溫度顯得非常重要。
[0003] 最常用的降低燒結(jié)溫度的方法是摻入適量的低熔點氧化物或低軟化點玻璃，但是 傳統(tǒng)的固相法添加在降低燒結(jié)溫度的同時會惡化陶瓷的介電性能，這是因為采用傳統(tǒng)的固 相添加，是通過機械法混合陶瓷粉體和助燒劑，這使得助燒劑混合不均，從而增加助燒劑的 用量；再者，助燒劑的介電性能較差，所以過多的助燒劑會惡化陶瓷的介電性能：（1)材料 的主晶相與玻璃相之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生第二相，導(dǎo)致主晶相含量減少，或有雜質(zhì)相生 成；（2)材料內(nèi)部因有玻璃相存在，而使得其本征損耗增大；（3)晶格缺陷的產(chǎn)生。因此， 必須優(yōu)化現(xiàn)有的引入助燒劑的方式，或?qū)で笠环N新的方式，以減小助燒劑對陶瓷介電性能 的負(fù)面影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，提供一種低溫?zé)Y(jié)Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷的方法， 其不僅能夠降低Zn 2SiO4微波介質(zhì)陶瓷燒結(jié)溫度而且保持了該微波介質(zhì)陶瓷優(yōu)異的介電性 能，實現(xiàn)了微波介質(zhì)陶瓷與Cu電極的共燒。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種低溫?zé)Y(jié)Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷的方法，包括以 下步驟： 步驟一：稱取Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷粉體，并向其中加入聚乙二醇和去離子水，磁力攪 拌配成懸濁液備用； 步驟二、向步驟一配制的懸濁液中同時加飽和CuSO4溶液和用于置換飽和CuSO4溶液中 金屬Cu的還原性金屬粉，使Zn2+和Cu2+的摩爾比為1 : (0. 〇Γ〇. 09)，機械攪拌Ih后，備用； 步驟三、將步驟二得到的溶液靜置12h后進(jìn)行抽濾，將抽濾后的粉體進(jìn)行多次水洗和 醇洗后備用； 步驟四、將步驟三取得的粉體放入干燥箱，在60-80°C條件下干燥12h，備用； 步驟五、將步驟四中干燥后的粉體放入馬弗爐中加熱到500°C，保溫lh，制得CuO與 Zn2SiO4基體物質(zhì)的的復(fù)合粉體，備用； 步驟六、向步驟五加熱后的粉體中加入占其質(zhì)量5%-10%的粘結(jié)劑進(jìn)行造粒，然后過 60-80目篩后用壓片機壓制成生坯，備用； 步驟七、將步驟六壓制成型的生坯以1-1. 5°C /min升溫到600°C，排膠I. 5-2h，然后以 3-5°C /min，升溫至950-1KKTC進(jìn)行燒結(jié)，保溫2-4h后，制得Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷。
[0006] 所述步驟六中采用的粘合劑為聚乙烯醇，其濃度為0. lg/ml。
[0007] 所述步驟六中壓片機采用壓力為150-200MPa，生坯為〇10mmX5mm的圓柱體。
[0008] 本發(fā)明中，通過控制還原性金屬粉的加入量確保，最終生成的CuO占 Zn2SiO4微波 介質(zhì)陶瓷基料總重的39Γ6%。
[0009] 本發(fā)明的有益效果： (1) 本發(fā)明步驟一種通過向陶瓷粉體中加入聚乙二醇水溶液并進(jìn)行磁力攪拌，有效降 低了 Zn2SiO4粉體的團(tuán)聚； (2) 本發(fā)明中，通過置換法引入CuO與傳統(tǒng)固相法相比使CuO在Zn2SiO4基體中分布分 布更加均勻，更加有利于降低燒結(jié)溫度； (3) 本發(fā)明中生坯950-1KKTC進(jìn)行燒結(jié)2~4h，在燒結(jié)過程中，隨著燒結(jié)溫度升高，CuO 與Zn2SiO4陶瓷的基體物質(zhì)形成低共熔物(液相)，液相浸潤固體顆粒，固體顆粒在液相產(chǎn)生 巨大的毛細(xì)管力的作用下相互靠近，同時發(fā)生滑移、重排，有效促進(jìn)了燒結(jié)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為利用化學(xué)置換法引入CuO的自由表面的不同位置的能譜分析圖； 圖2為圖1中不同位置的元素含量附表； 圖3為本發(fā)明具體實施例； 圖4為具體實施例中微波介電性能的測試結(jié)果圖； 圖5為助燒劑對實驗性能的影響圖。

【具體實施方式】
[0011] 如圖所示，一種低溫?zé)Y(jié)Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷的方法，包括以下步驟： 步驟一：稱取Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷粉體，并向其中加入聚乙二醇和去離子水，磁力攪 拌配成懸濁液備用； 步驟二、向步驟一配制的懸濁液中同時加飽和CuSO4溶液和用于置換飽和CuSO4溶液中 金屬Cu的還原性金屬粉，使Zn2+和Cu2+的摩爾比為1 : (0. 〇Γ〇. 09)，機械攪拌Ih后，備用； 步驟三、將步驟二得到的溶液靜置12h后進(jìn)行抽濾，將抽濾后的粉體進(jìn)行多次水洗和 醇洗后備用； 步驟四、將步驟三取得的粉體放入干燥箱，在60-80°C條件下干燥12h，備用； 步驟五、將步驟四中干燥后的粉體放入馬弗爐中加熱到500°C，保溫lh，制得CuO與 Zn2SiO4基體物質(zhì)的的復(fù)合粉體，備用； 步驟六、向步驟五加熱后的粉體中加入占其質(zhì)量5%-10%的粘結(jié)劑進(jìn)行造粒，然后過 60-80目篩后用壓片機壓制成生坯，備用； 步驟七、將步驟六壓制成型的生坯以1-1. 5°C /min升溫到600°C，排膠I. 5-2h，然后以 3-5°C /min，升溫至950-1KKTC進(jìn)行燒結(jié)，保溫2-4h后，制得Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷。
[0012] 所述步驟六中采用的粘合劑為聚乙烯醇，其濃度為0. lg/ml。
[0013] 所述步驟六中壓片機采用壓力為150-200MPa，生坯為〇10mmX5mm的圓柱體。
[0014] 下面結(jié)合實施例詳細(xì)闡述本發(fā)明。
[0015] 一種低溫?zé)Y(jié)Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷的方法，包括以下步驟： 步驟一：稱取20g Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷粉體，并向其加入500-1000mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0. 5-lwt%的聚乙二醇水溶液，磁力攪拌15-30min，配成懸濁液備用； 步驟二、向步驟一配制的懸濁液中同時加入0. 008-0. 02mol的飽和CuSO4溶液和用于 置換飽和CuSO4溶液中金屬Cu的還原性金屬粉，機械攪拌Ih后，備用； 步驟三、將步驟二得到的溶液靜置12h后進(jìn)行抽濾，將抽濾后的粉體進(jìn)行多次水洗和 醇洗后備用； 步驟四、將步驟三取得的粉體放入干燥箱，在60-80°C條件下干燥12h，備用； 步驟五、將步驟四中干燥后的粉體放入馬弗爐中加熱到500°C，保溫lh，制得CuO與 Zn2SiO4基體物質(zhì)的低共熔物，備用； 步驟六、向步驟五加熱后的粉體中加入占其質(zhì)量5%-10%的粘結(jié)劑進(jìn)行造粒，然后過 60-80目篩后用壓片機壓制成生坯，備用； 步驟七、將步驟六壓制成型的生坯以1-1. 5°C /min升溫到600°C，排膠I. 5-2h，然后以 3-5°C /min，升溫至950-1KKTC進(jìn)行燒結(jié)，保溫2-4h后，制得Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷。
[0016] 所述步驟六中采用的粘合劑為聚乙烯醇，其濃度為0. lg/ml。
[0017] 所述步驟六中壓片機采用壓力為150-200MPa，生坯為〇10mmX5mm的圓柱體。
[0018] 本發(fā)明中測試方法和檢測設(shè)備如下： 1、 樣品的直徑和厚度使用千分尺進(jìn)行測量； 2、 借助Agilent N5230C-220矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和DWB2-6高低溫實驗箱測量2(T80°C的 諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)； 3、 采用閉式腔法測量所制備圓柱形陶瓷樣品的品質(zhì)因數(shù)，測量頻率范圍在13-14GHZ 范圍內(nèi)。
[0019] 本發(fā)明中CuO的生成量為5wt%，在KKKTC下燒結(jié)3h，陶瓷獲得最優(yōu)的微波介電 性能：介電常數(shù)er= 6.5，Qf= 67342GHz，τ--= -23ppm/°C。通過此種方法，不僅降低了 Zn2Si04陶瓷的燒結(jié)溫度，同時降低了助燒劑對陶瓷介電性能的負(fù)面影響。
[0020] 本發(fā)明通過向微波介電陶瓷粉體中加入聚乙二醇水溶液和磁力攪拌得到Zn2SiO 4 的懸濁液，在一定程度上減輕了 Zn2SiO4粉體的團(tuán)聚，然后通過化學(xué)置換法從飽和CuSO4溶 液中置換出Cu,得到Cu-Zn 2SiO4的前驅(qū)體，通過加熱氧化反應(yīng)最終得到CuO-Zn2SiO4的復(fù)合 粉體。置換法引入CuO要比固相法引入使CuO在基體粉中分布的更加均勻（見附圖1、附圖 2)，CuO的加入不影響Zn 2SiO4相的生成。在燒結(jié)過程中，隨著燒結(jié)溫度升高，CuO與Zn2SiO 4 陶瓷的基體物質(zhì)形成低共熔物(液相)，液相浸潤固體顆粒，固體顆粒在液相產(chǎn)生巨大的毛 細(xì)管力的作用下相互靠近，同時發(fā)生滑移、重排，從而促進(jìn)了燒結(jié)。與固相法相比，降低了同 樣的燒結(jié)溫度時，其介電性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于固相法，如圖5所示。
【權(quán)利要求】
1. 一種低溫?zé)Y(jié)Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟一：稱取Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷粉體，并向其中加入聚乙二醇和去離子水，磁力攪 拌配成懸濁液備用； 步驟二、向步驟一配制的懸濁液中同時加飽和CuSO4溶液和用于置換飽和CuSO4溶液中 金屬Cu的還原性金屬粉，使Zn2+和Cu2+的摩爾比為1 : (0. 〇Γ〇. 09)，機械攪拌Ih后，備用； 步驟三、將步驟二得到的溶液靜置12h后進(jìn)行抽濾，將抽濾后的粉體進(jìn)行多次水洗和 醇洗后備用； 步驟四、將步驟三取得的粉體放入干燥箱，在60-80°C條件下干燥12h，備用； 步驟五、將步驟四中干燥后的粉體放入馬弗爐中加熱到500°C，保溫lh，制得CuO與 Zn2SiO4的復(fù)合粉體，備用； 步驟六、向步驟五加熱后的粉體中加入占其質(zhì)量5%-10%的粘結(jié)劑進(jìn)行造粒，然后過 60-80目篩后用壓片機壓制成生坯，備用； 步驟七、將步驟六壓制成型的生坯以1-1. 5°C /min升溫到600°C，排膠I. 5-2h，然后以 3-5°C /min，升溫至950-1KKTC進(jìn)行燒結(jié)，保溫2-4h后，制得Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于：所述 步驟六中采用的粘合劑為聚乙烯醇，其濃度為0. lg/ml。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)Zn2SiO4微波介質(zhì)陶瓷的方法，其特征在于：所述 步驟六中壓片機采用壓力為150-200MPa，生坯為Φ IOmmX 5mm的圓柱體。
【文檔編號】C04B35/64GK104211383SQ201410422743
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】李謙, 胡婧雯, 李麗華, 黃金亮, 顧永軍 申請人:河南科技大學(xué)