一種具有低介電性能和低損耗的鈦酸鉍鈉基無鉛壓電鐵電材料的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于陶瓷元件制備技術領域，特別是一種具有低介電性能的鈦酸鉍鈉基無 鉛壓電鐵電陶瓷材料，它是一種新型低介電常數、低介電損耗的鈣鈦礦的壓電陶瓷材料，在 集成電路的陶瓷基板，中介質微波陶瓷，高頻器件間信息的傳輸，鐵電材料等具有廣泛的運 用前景。
【背景技術】
[0002] 鐵電、壓電材料是一種信息功能材料。廣泛應用于電子信息、集成電路、計算機等 科學技術領域，是許多新型電子元器件的基礎材料。集成電路的發(fā)展已處于一定的瓶頸區(qū)， 積極尋求邊緣創(chuàng)新，在大生態(tài)，大融合的電子產業(yè)發(fā)展背景下，尋找優(yōu)于已經存在的陶瓷高 性能陶瓷，毋庸置疑，會為集成電路的發(fā)展帶來突破點。根據環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求，研 發(fā)新型環(huán)境友好的陶瓷電介質已是大勢所趨。同時，鐵電，壓電陶瓷在電子技術的應用中非 常廣泛，從目前看來，含鉛的鐵電、壓電陶瓷在市場中占有極其重要的統(tǒng)治地位。這種PZT材 料給環(huán)境帶來沉重的負擔，其含有毒的PbO質量百分比通常在50%以上，這樣對人體和環(huán)境 造成很大的危害。因而，發(fā)展無鉛鐵電陶瓷介質和壓電陶瓷材料就成為了當前鐵電陶瓷材 料一項有待解決的重要課題。順應陶瓷發(fā)展的趨勢，NBT陶瓷正取代含鉛或其他有毒材料， 在陶瓷電容器、PTC熱敏電阻等方面有很好的應用前景。這種陶瓷，Na Q.5BiQ.5Ti03(簡稱NBT) 是較早發(fā)現的鈣鈦礦結構的典型的無鉛材料，為A位復合離子鈣鈦礦型鐵電體，室溫下屬三 方晶相，居里溫度Tc為320°C，具有強鐵電性，壓電性能良好，介電常數較小(240~340)及聲 學性能佳、燒結溫度低等特點，是目前研究最廣泛、最具有實用化前景的無鉛壓電陶瓷體系 之一。而在賈保祥的《銻代替鉍對鉍鋅鈮陶瓷介電性能的影響》報道，該陶瓷作為中介電常 數的微波介電陶瓷，介電常數范圍為20~200,介電損耗約為0.001，而實現高速化、高頻化 等重要性能的PCB基板陶瓷，其損耗也一般為10- 4。損耗過大的材料，用于高頻、濾波器等通 訊方面，對信號傳播的衰減有重要影響，將會滿足不了人們對于大數據，大容量的需求。介 電損耗越小，信號傳播的衰減越小，所以，開發(fā)介電常數更小，損耗更小的陶瓷材料，在通 訊，集成電路基板上面具有廣大意義。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供出一種新性能的鈦酸鉍鈉基無鉛介電陶瓷材料及其制備方 法，本發(fā)明的陶瓷材料是具有高穩(wěn)定性、低介電性能、低損耗的新型鈦酸鉍鈉基無鉛壓電 陶瓷材料，相對于常用NBT(Na Q.5BiQ.5Ti03)等無鉛壓電陶瓷材料具有更低的介電常數和更 低的損耗角。
[0004] 本發(fā)明的一種新型能的鈦酸鉍鈉基鈣鈦礦無鉛介電陶瓷材料，其化學通式為： NaBiTi6〇i4。用傳統(tǒng)固相法經兩次預燒，一次燒結而成。
[0005] 本發(fā)明還提出一種新性能的鈦酸鉍鈉基無鉛介電陶瓷材料的制備方法，其方法包 括以下步驟：
[0006] (1)反應物為Na2C〇3，Ti〇2和Bi2〇 3(純度為99%)，反應物在干燥器中冷卻至室溫后 由化學通式計量比稱重得到，樣品通過傳統(tǒng)的固相法加工制備。具體配方如下：
[0007]
[0008] (2)粉末在異丙醇中混合并用穩(wěn)定的氧化鋯研磨物進行24小時球磨并干燥。將干 燥的粉末在900°C，950°C預燒兩次，時間為4小時，每次預燒后，將粉末球磨12小時，再將該 粉狀體再次重新研磨和成形為粒狀。
[0009] (3)將上述粒狀體用單軸鋼模機的壓制成圓片生坯片，具體尺寸參考下方實施方 式，并在200兆帕壓強下冷等靜壓。然后將樣品裝入封閉的裝有氧化鋯的氧化鋁坩堝，在 1020°C，1040°C，1060°C，1080°C，1100°C之間燒結4小時，以盡量減少揮發(fā)性氧化鉍損失。從 X-射線衍射圖案的最小二乘估計細化得到晶胞的晶格參數，再得到樣品的理論密度，約為 92%〇
[0010] (4)將陶瓷片一部分研磨至粉末由X射線衍射分析為單相，另一部分煅燒的陶瓷片 研磨拋光至〇.9_的厚度進行介電測量。將銀漿敷到相對的平行面，涂覆片在800°C火爐中 燒制成電極，并在非傳導的絲管式爐中進行高溫阻抗譜測量。IS數據通過樣品的幾何形狀 (顆粒的厚度/面積)進行校正，并使用ZView軟件進行分析。相對介電常數和損耗角正切通 過阻抗分析儀在20 °C~700 °C下進行測試。
[0011] (5)使用電鏡對陶瓷片的正面結構進行研究。陶瓷片截面進行拋光，在990°C熱蝕 刻11小時，然后用金涂覆。并在隨機10組選定的區(qū)域內使用微型探針在20千伏電壓下進行 電子探針微量分析。
[0012]本發(fā)明具有以下特點：
[0013] (1)采用傳統(tǒng)的固相燒結方法，通過燒結溫度改變，探究外部因素對材料結構和性 質的影響，使在繼承傳統(tǒng)NBT的優(yōu)點的同時改良其缺點，實現對NBT無鉛壓電材料各項性能 的改良，得到高性能陶瓷材料，滿足市場發(fā)展的需要。
[0014] (2)提供了精確控制Bi的流失實現摻雜的準備調控以制備出一種新型的高介電性 能的耐高溫無鉛壓電材料的完善系統(tǒng)和方法
[0015] (3)本發(fā)明在通過XRD衍射分析確認實驗材料為理論材料后，在阻抗分析儀中進行 高溫阻抗譜分析，得到材料的相對介電常數值與損耗角正切值，相對介電常數值，最小達到 22.3962，而其介電損耗低至4.99 X 10_4,比市場上常用的NBT無鉛陶瓷材料的損耗都要小。
[0016] 綜上，本發(fā)明方法所制備的陶瓷因其低介電常數常數和低介電損耗的性能而適宜 于制作高速器件、PCB陶瓷基板和微波陶瓷等。這是其它NBT陶瓷所無法比擬的。
【附圖說明】
[0017]圖1為XRD衍射圖譜，衍射分析表明實驗反應所得陶瓷片為單相，與理論材料一致， 組分材料是NaBiTisOw
[0018] 圖2分別表示NaBiTi6(h4組分材料在一次900 °C預燒，一次950 °C預燒，1020 °C下煅 燒所測得相對介電常數隨材料環(huán)境所處溫度變化曲線；
[0019] 圖3分別表示NaBiTi6(h4組分材料在一次900°C預燒，一次950°C預燒，1040°C下煅 燒所測得相對介電常數隨材料環(huán)境所處溫度變化曲線；
[0020] 圖4分別表示NaBiTi6(h4組分材料在一次900°C預燒，一次950°C預燒，1060°C下煅 燒所測得相對介電常數隨材料環(huán)境所處溫度變化曲線；
[0021] 圖5分別表示NaBiTi6(h4組分材料在一次900 °C預燒，一次950 °C預燒，1080 °C下煅 燒所測得相對介電常數隨材料環(huán)境所處溫度變化曲線；
[0022] 圖6分別表示NaBiTisOw組分材料在一次900°C預燒，一次950°C預燒，在1MHZ所測 得的不同燒結溫度相對介電常數隨材料環(huán)境所處溫度變化曲線；
[0023] 圖7分別表示NaBiTi6(h4組分材料在一次900°C預燒，一次950°C預燒，在100KHZ所 測得的不同燒結溫度相對介電常數隨材料環(huán)境所處溫度變化曲線；
[0024] 圖8分別表示NaBiTisOw組分材料在900-950-1020 °C溫度下燒結tgS隨溫度變化曲 線；
[0025] 圖9分別表示NaBiTisOw組分材料在900-950-1040 °C溫度下燒結tgS隨溫度變化曲 線；
[0026] 圖10分別表示NaBiTi6(h4組分材料在900-950-1060°C溫度下燒結tgS隨溫度變化 曲線；
[0027] 圖11分別表示NaBiTi6(h4組分材料在900-950-1080°C溫度下燒結tgS隨溫度變化 曲線；
[0028] 圖12分別表示NaBiTisOw組分材料在1MHZ下tgS隨溫度變化曲線；
[0029] 圖13分別表示NaBiTisOw組分材料在100KHZ下tgS隨溫度變化曲線；
[0030] 圖14、圖15和圖16表示燒結溫度在1020 °C時NaB i T i 6〇14組分陶瓷片的正面結構圖。
【具體實施方式】
[0031]下面通過借助實施例更加詳細的說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā) 明的保護范圍并不受這些實施例的限制。
[0032] 實施例一:NaBiTisOw壓電陶瓷制備
[0033] 化學方程式：+6ΠΟ: =故必了((9|5 +Κ?:
[0034] 采用Na2C03，Ti02和Bi203三種原料粉末，按化學通式稱量，反應物在干燥器中冷卻 至室溫，進行烘干處理，取Na 2C03質量為2.0775g，Ti02質量為18.78894g，Bi2〇 3質量為 9.1335g，樣品通過傳統(tǒng)的固相法加工制備。具體步驟如下:將粉末在乙醇中混合并用穩(wěn)定 的氧化鋯研磨物進行24小時球磨并干燥。將干燥的粉末在900°C，950°C預燒兩次，時間為4 小時，每次預燒后，將粉末球磨12小時，再將該粉狀體再次重新研磨和成形為粒狀，并用生 坯的單軸鋼模壓制成片，壓制成圓片尺寸（面積為0.6981cm，直徑為0.943cm，厚度為 0.205cm)，并在4兆帕壓強下冷等靜壓