一種低介電常數(shù)陶瓷粉體及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有較低介電常數(shù)的陶瓷粉體及其制備方法，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代無線通信技術(shù)對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。近年來，隨著信息量的日益增大，對(duì)需要傳送的信息容量以及傳輸速度要求越來越高。為解決低頻段的擁擠并擴(kuò)大頻率資源，無線通信正朝更高頻段的方向發(fā)展；無線通信使用頻率的提高，要求作為信息技術(shù)基本組成要素的電子元器件具有較高的自諧振中心頻率(4)。高的自諧振中心頻率對(duì)應(yīng)著低的介電常數(shù)。低介電常數(shù)能減小材料與電極之間的交互耦合損耗，并提高電信號(hào)的傳輸速率；發(fā)展低介電常數(shù)材料以滿足高頻和高速的要求，已成為當(dāng)今電子材料如何適應(yīng)高頻應(yīng)用的一個(gè)挑戰(zhàn)。
[0003]CaMgSi206陶瓷是一種具有優(yōu)良性能的低介電常數(shù)陶瓷材料，Sun等(Mat SciEng B, 2007, 138: 46-50)以固相法合成了 CaMgSi206陶瓷，其介電常數(shù)為7.46、品質(zhì)因數(shù)為59，638 GHz、頻率溫度系數(shù)為-46 ppm/°C，但其燒結(jié)溫度高、燒結(jié)范圍窄(1290?1310 °C)。為提高CaMgSi206陶瓷的燒結(jié)性能與介電性能，張等(Ceram Int, 2013, 39:2051-2508)通過Zn2+對(duì)Mg2+的取代，研究了 CaMg i xZnxSi206陶瓷的燒結(jié)性能與微波介電性能，并通過添加LiF作為燒結(jié)助劑來降低陶瓷的燒結(jié)溫度，然而Ca (Mg, Zn) Si206陶瓷的燒結(jié)性能仍然較差，且添加燒結(jié)助劑LiF后其介電性能大幅下降。Wang等(Ceram Int, 2014,40: 3333-3339)利用 Al3+對(duì)Mg2+和 Si 2+的同時(shí)取代，合成了 Ca(Mgl XA1X) (Sh χ/2Α1χ/2)206陶瓷，發(fā)現(xiàn)鋁的固溶極限在0.15-0.2之間，并能有效降低陶瓷的燒結(jié)溫度(超過50 °C)，但隨著鋁添加量的增加，陶瓷的品質(zhì)因數(shù)出現(xiàn)了下降。因此，如何制備出具有較高燒結(jié)活性的CaMgSi206基陶瓷粉體，在不降低介電性能的基礎(chǔ)上提高陶瓷的燒結(jié)性能，對(duì)開發(fā)高性能的介質(zhì)陶瓷、促進(jìn)無線通信技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種具有良好燒結(jié)活性、介電性能優(yōu)異的低介電常數(shù)陶瓷粉體及其制備方法。
[0005]本發(fā)明提出的低介電常數(shù)陶瓷粉體，它具有核-殼兩層結(jié)構(gòu):中間的核層為CaMgSi206，外面的殼層為 Ca(Mgl x y zAlxZnyCoz) (Sh x/2A1x/2) 206，其中 0.04 彡 χ 彡 0.1,0^ y ^ 0.2,0 ^ z ^ 0.1，殼層物質(zhì)與核層物質(zhì)的摩爾比為0.05?0.3:1。
[0006]本發(fā)明的低介電常數(shù)陶瓷粉體的制備方法，包括下述步驟:
(1)將具有相同摩爾數(shù)的鈣的化合物與鎂的化合物同時(shí)溶解在無水乙醇中，使鈣離子與鎂離子在無水乙醇中的濃度為2?6 mol/1，然后攪拌混合均勾；
(2)將兩倍于上述鈣離子物質(zhì)量的正硅酸乙酯溶解在無水乙醇中，配制濃度為2?6mol/1的溶液，然后將該溶液加入到步驟(1)的溶液中，同時(shí)加入適量乙酸將混合溶液的pH值調(diào)節(jié)至4.5?5.2 ;
(3)按照溶液質(zhì)量的2?6wt%向步驟(2)所得溶液加入分散劑，并按娃元素物質(zhì)量的2?8倍添加去離子水，混合攪拌均勻后再在50?80 V的溫度下進(jìn)行保溫，直至獲得不能流動(dòng)的凝膠；
(4)將上述凝膠置于100°C保溫4小時(shí)，然后再升溫至900?1200 °C保溫2?4小時(shí)，獲得具有CaMgSi206物相的陶瓷粉體；
(5)按殼層組成物中各元素的比例，將鈣的化合物、鎂的化合物、鋁的化合物、鋅的化合物、鈷的化合物以及硅溶膠同時(shí)溶解在去離子水中，使混合物在去離子水中的濃度為0.5?4 mol/1，攪拌混合均勾；
(6)將步驟(4)制得的陶瓷粉體與步驟(5)制得的溶液進(jìn)行混合，超聲波分散后放入反應(yīng)釜中，密閉后在180?220 °C保溫2?8小時(shí)，隨后冷卻至室溫；
(7)將上述反應(yīng)釜中的物質(zhì)進(jìn)行過濾，然后把過濾后獲得的產(chǎn)物進(jìn)行水洗、烘干，即獲得本發(fā)明的低介電常數(shù)陶瓷粉體；
上述技術(shù)方案中，所述的鈣的化合物為硝酸鈣、醋酸鈣和氯化鈣中的一種或幾種；所述的鎂的化合物為硝酸鎂、醋酸鎂和氯化鎂中的一種或幾種；所述的分散劑為油酸、聚乙二醇、聚乙烯醇以及聚乙烯醇縮丁醛中的一種或幾種；所述的鋁的化合物為硝酸鋁、乙酸鋁、氯化鋁和異丙醇鋁中的一種或幾種；所述的鋅的化合物為硝酸鋅、乙酸鋅和氯化鋅中的一種或幾種；所述的鈷的化合物為硝酸鈷、醋酸鈷和氯化鈷中的一種或幾種。
[0007]本發(fā)明具有以下有益特點(diǎn):通過900?1200 °C對(duì)鈣鎂硅凝膠的煅燒，首先合成CaMgSi206粉體，然后在高溫高壓的水熱條件下在CaMgSi 206表面外延生長出一層與 CaMgSi206結(jié)構(gòu)完全一致的 Ca(Mg, Al, Zn, Co) (Si, Al) 206，從而形成以 CaMgSi206為核、Ca(Mg，Al，Zn，Co) (Si，A1)206為殼的兩層結(jié)構(gòu)；由于在少量Al、Zn、Co固溶下獲得的Ca(Mg, Al, Zn, Co) (Si, A1)206晶體結(jié)構(gòu)與原來 CaMgSi 206晶體結(jié)構(gòu)一致，且 Ca(Mg，Al, Zn, Co)(Si, A1)206的燒結(jié)溫度要比CaMgSi 206低50?100 °C，因而利用本發(fā)明制備的低介電常數(shù)陶瓷粉體實(shí)現(xiàn)了良好介電性能和優(yōu)異燒結(jié)性能的統(tǒng)一。
【具體實(shí)施方式】
[0008]下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0009]實(shí)施例1:CaMgSi206-0.05Ca(Mga7AlaiZnaiCoai) (Si0.95Ala05) 206 (x=0.1，y=0.1，z=0.1)
稱取1.0 mol硝酸鈣與1.0 mol硝酸鎂溶解于無水乙醇中，使鈣離子與鎂離子在無水乙醇中的濃度為4 mol/Ι，攪拌混合均勻；將2.0 mol正硅酸乙酯溶解在無水乙醇中，獲得3mol/Ι的溶液；將上述兩溶液進(jìn)行混合，同時(shí)加入一定量乙酸將混合溶液的pH值調(diào)節(jié)至5，然后按照溶液質(zhì)量的5 wt%加入油酸作為分散劑，同時(shí)加入6 mol的去離子水，混合攪拌后置于60 °C的烘箱中進(jìn)行保溫，獲得凝膠。將上述凝膠置于100 °C保溫4小時(shí)，然后再升溫至1000 °C保溫3小時(shí)，獲得CaMgSi206陶瓷粉體。
[0010]將0.05mol硝酸鈣、0.035 mol硝酸鎂、0.01 mol硝酸鋁、0.005 mol硝酸鋅、0.005mol硝酸鈷以及0.095 mol硅溶膠同時(shí)溶解在去離子水中，使混合物在去離子水中的濃度為2 mol/Ι，攪拌混合均勻；隨后向上述溶液中加入制備好的CaMgSi206陶瓷粉體，超聲波分散后放入反應(yīng)釜中，密閉后在200 °C保溫4小時(shí)，隨后冷卻至室溫。將上述反應(yīng)釜中的產(chǎn)物進(jìn)行過濾，然后把過濾后獲得的產(chǎn)物進(jìn)行水洗、烘干，即獲得本發(fā)明的低介電常數(shù)陶瓷粉體。
[0011]將上述制備的低介電常數(shù)陶瓷粉體加入8 wt%的聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，充分混合后進(jìn)行造粒，然后在150 Mpa的壓力下成型，排膠后在1225、1250、1275、1300 °(:燒結(jié)2小時(shí)，均可獲得致密結(jié)構(gòu)的陶瓷，說明本發(fā)明的低介電常數(shù)陶瓷粉體具有較寬的燒結(jié)溫度范圍，測(cè)試其微波介電性能，結(jié)果為介電常數(shù)8.02?8.16，品質(zhì)因數(shù)58，373?62，138GHz ο
[0012]
實(shí)施例 2:CaMgSi206-0.lCa(Mg0 74Al0.08Zn01Co0.08) (Si0 96Al0 04) 206 (χ=0.08，y=0.1，z=0.08)
稱取1.0 mol醋酸鈣與1.0 mol醋酸鎂溶解于無水乙醇中，使鈣離子與鎂離子在無水乙醇中的濃度為5 mol/Ι，攪拌混合均勻；將2.0 mol正硅酸乙酯溶解在無水乙醇中，獲得2 mol/Ι的溶液；將上述兩溶液進(jìn)行混合，同時(shí)加入一定量乙酸將混合溶液的pH值調(diào)節(jié)至4.8，然后按照溶液質(zhì)量的4 wt%加入聚乙二醇作為分散劑，同時(shí)加入5 mol的去離子水，混合攪拌后置于80 °C的烘箱