CN101747055B - 一种低温烧结的磁电复合介质厚膜材料及其制备方法 - Google Patents

一种低温烧结的磁电复合介质厚膜材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种低温烧结的磁电复合介质厚膜材料及其制备方法，按xNi0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88/(1-x)Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比将Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88和Ba0.6Sr0.4TiO3粉体混合均匀，其中0.2≤x≤0.8；再加入BaCu(B2O5)和有机载体得到厚膜浆料；将厚膜浆料通过丝网印刷的方式转印到基片上烧结成瓷，即得磁电复合介质厚膜。该磁电复合介质厚膜材料在1MHz下介电常数为50～283，介电损耗为0.1％～0.4％，介电可调率为0.2％～5％，饱和磁化强度为8～46emμ/g，矫顽场为27.1～30.4G。

Description

一种低温烧结的磁电复合介质厚膜材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料科学领域，具体涉及一种低温烧结的磁电复合介质厚膜材料及其制备方法。
背景技术
现代战争和信息产业的迅猛发展要求通信、雷达、导航、电子对抗等电子装备具有多功能小型化、高机动性能。宽带和超宽带应用，特别是应用于低频段时，微波器件和天线的宽带和小型化一直是困扰无线电工程技术人员的难题。为了解决这一难题，人们提出了很多新的理论和方法，大致可以分为两类：一类是改变器件的设计，如几何形状和结构；另一类是采用高介电常数或者磁性材料，在介质材料中传输的电磁波的波长与介质的介电常数和磁导率的乘积之平方根成反比，因此采用具有高介电常数和高磁导率的介质作为基片可以在不改变微波器件和天线设计的情况下，极大地减小器件和天线的尺寸，除天线外此类材料还能广泛地应用在容-感复合元件、军工和民用的振荡器、混频器、变频器、功率分配器、功率合成器、功率放大器、滤波器等微波器件。目前的磁电复合材料均采用铁电材料和铁磁材料进行复合，追求其高的磁电耦合系数，所得复合材料的损耗较大，限制了它们的高频应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备工艺简单的低温烧结的磁电复合介质厚膜材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)制备Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体：按化学通式Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88，称取分析纯的NiO，CuO，ZnO和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体；
2)制备Ba0.6Sr0.4TiO3粉体：按化学通式Ba0.6Sr0.4TiO3，称取分析纯的BaCO3，SrCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1150℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ba0.6Sr0.4TiO3粉体；
3)制备BaCu(B2O5)粉体：按化学通式BaCu(B2O5)，称取分析纯的Ba(OH)2，CuO和H3BO3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到BaCu(B2O5)粉体；
4)按xNi0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88/(1-x)Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比将Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88和Ba0.6Sr0.4TiO3粉体混合均匀，其中0.2≤x≤0.8；
5)加入混合粉体中质量分数2％-5％的BaCu(B2O5)和30％-40％的有机载体，所述的有机载体采用质量浓度为5％的乙基纤维素松油醇溶液，经混合均匀得到厚膜浆料；
6)将厚膜浆料通过丝网印刷的方式转印到基片上，于550℃保温2小时排除有机载体，在860～880℃下烧结0.5～2个小时成瓷，即得磁电复合介质厚膜。
本发明的低温烧结的磁电复合介质厚膜材料的组成表达式为：xNi0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88/(1-x)Ba0.6Sr0.4TiO3，其中x为Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积百分数，且0.2≤x≤0.8，该磁电复合介质厚膜材料在1MHz下介电常数为50～283，介电损耗为0.1％～0.4％，介电可调率为0.2％～5％，饱和磁化强度为8～46emμ/g，矫顽场为27.1～30.4G。
附图说明
图1为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为80％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为20％时复合介质厚膜的介电性能；
图2为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为60％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为40％时复合介质厚膜的介电性能；
图3为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为40％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为60％时复合厚膜的介电性能；
图4为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为20％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为80％时复合介质厚膜的介电性能
图5为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为20％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为80％时复合介质厚膜的磁滞回线。磁化强度的单位为emu/g。
图6为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为40％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为60％时复合介质厚膜的磁滞回线。磁化强度的单位为emu/g。
图7为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为60％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为40％时复合介质厚膜的磁滞回线。磁化强度的单位为emu/g。
图8为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为80％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为20％时复合介质厚膜的磁滞回线。磁化强度的单位为emu/ g。
图9为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为20％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为80％时复合介质厚膜的介电可调性曲线。
图10为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为40％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为60％时复合介质厚膜的介电可调性曲线。
图11为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为60％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为40％时复合介质厚膜的介电可调性曲线。
图12为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为80％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为20％时复合介质厚膜的介电可调性曲线。
图13为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为80％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为20％时复合介质厚膜断面的显微结构照片。
图14为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为60％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为40％时复合介质厚膜断面的显微结构照片。
图15为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为40％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为60％时复合介质厚膜断面的显微结构照片。
图16为当Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积比为20％，Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比为80％时复合介质厚膜断面的显微结构照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
1)制备Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体：按化学通式Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88，称取分析纯的NiO，CuO，ZnO和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体；
2)制备Ba0.6Sr0.4TiO3粉体：按化学通式Ba0.6Sr0.4TiO3，称取分析纯的BaCO3，SrCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1150℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ba0.6Sr0.4TiO3粉体；
3)制备BaCu(B2O5)粉体：按化学通式BaCu(B2O5)，称取分析纯的Ba(OH)2，CuO和H3BO3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到BaCu(B2O5)粉体；
4)按0.8Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88/0.2Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比将Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88和Ba0.6Sr0.4TiO3粉体混合均匀；
5)加入混合粉体中质量分数5％的BaCu(B2O5)和40％的有机载体，所述的有机载体采用质量浓度为5％的乙基纤维素松油醇溶液，经混合均匀得到厚膜浆料；
6)将厚膜浆料通过丝网印刷的方式转印到基片上，于550℃保温2小时排除有机载体，在860℃下烧结2小时成瓷，即得磁电复合介质厚膜。即得到低温烧结的磁电复合介质厚膜材料。该材料的介电性能见图1，磁性能见图8，介电可调性见图12，微观结构见图13。
实施例2：
1)制备Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体：按化学通式Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88，称取分析纯的NiO，CuO，ZnO和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体；
2)制备Ba0.6Sr0.4TiO3粉体：按化学通式Ba0.6Sr0.4TiO3，称取分析纯的BaCO3，SrCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1150℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ba0.6Sr0.4TiO3粉体；
3)制备BaCu(B2O5)粉体：按化学通式BaCu(B2O5)，称取分析纯的Ba(OH)2，CuO和H3BO3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到BaCu(B2O5)粉体；
4)按0.6Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88/0.4Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比将Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88和Ba0.6Sr0.4TiO3粉体混合均匀；
5)加入混合粉体中质量分数3％的BaCu(B2O5)和33％的有机载体，所述的有机载体采用质量浓度为5％的乙基纤维素松油醇溶液，经混合均匀得到厚膜浆料；
6)将厚膜浆料通过丝网印刷的方式转印到基片上，于550℃保温2小时排除有机载体，在880℃下烧结0.5小时成瓷，即得磁电复合介质厚膜。即得到低温烧结的磁电复合介质厚膜材料。该材料的介电性能见图2，磁性能见图7，介电可调性见图11，微观结构见图14。
实施例3：
1)制备Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体：按化学通式Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88，称取分析纯的NiO，CuO，ZnO和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体；
2)制备Ba0.6Sr0.4TiO3粉体：按化学通式Ba0.6Sr0.4TiO3，称取分析纯的BaCO3，SrCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1150℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ba0.6Sr0.4TiO3粉体；
3)制备BaCu(B2O5)粉体：按化学通式BaCu(B2O5)，称取分析纯的Ba(OH)2，CuO和H3BO3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到BaCu(B2O5)粉体；
4)按0.4Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88/0.6Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比将Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88和Ba0.6Sr0.4TiO3粉体混合均匀；
5)加入混合粉体中质量分数4％的BaCu(B2O5)和38％的有机载体，所述的有机载体采用质量浓度为5％的乙基纤维素松油醇溶液，经混合均匀得到厚膜浆料；
6)将厚膜浆料通过丝网印刷的方式转印到基片上，于550℃保温2小时排除有机载体，在865℃下烧结1.5小时成瓷，即得磁电复合介质厚膜。即得到低温烧结的磁电复合介质厚膜材料。该材料的介电性能见图3，磁性能见图6，介电可调性见图10，微观结构见图15。
实施例4：
1)制备Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体：按化学通式Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88，称取分析纯的NiO，CuO，ZnO和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体；
2)制备Ba0.6Sr0.4TiO3粉体：按化学通式Ba0.6Sr0.4TiO3，称取分析纯的BaCO3，SrCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1150℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ba0.6Sr0.4TiO3粉体；
3)制备BaCu(B2O5)粉体：按化学通式BaCu(B2O5)，称取分析纯的Ba(OH)2，CuO和H3BO3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到BaCu(B2O5)粉体；
4)按0.2Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88/0.8Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比将Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88和Ba0.6Sr0.4TiO3粉体混合均匀；
5)加入混合粉体中质量分数2％的BaCu(B2O5)和30％的有机载体，所述的有机载体采用质量浓度为5％的乙基纤维素松油醇溶液，经混合均匀得到厚膜浆料；
6)将厚膜浆料通过丝网印刷的方式转印到基片上，于550℃保温2小时排除有机载体，在870℃下烧结1小时成瓷，即得磁电复合介质厚膜。即得到低温烧结的磁电复合介质厚膜材料。该材料的介电性能见图4，磁性能见图5，介电可调性见图9，微观结构见图16。

Claims (2)

1.一种低温烧结的磁电复合介质厚膜材料的制备方法，其特征在于：
1)制备Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体：按化学通式Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88，称取分析纯的NiO，CuO，ZnO和Fe2O3，配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88粉体；
2)制备Ba0.6Sr0.4TiO3粉体：按化学通式Ba0.6Sr0.4TiO3，称取分析纯的BaCO3，SrCO3和TiO2，配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1150℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到Ba0.6Sr0.4TiO3粉体；
3)制备BaCu(B2O5)粉体：按化学通式BaCu(B2O5)，称取分析纯的Ba(OH)2，CuO和H3BO3，配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经800℃预烧3小时，将所得块状样品粉碎后过120目筛得到BaCu(B2O5)粉体；
4)按xNi0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88/(1-x)Ba0.6Sr0.4TiO3的体积比将Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88和Ba0.6Sr0.4TiO3粉体混合均匀，其中0.2≤x≤0.8；
5)加入混合粉体中质量分数2％-5％的BaCu(B2O5)和30％-40％的有机载体，所述的有机载体采用质量浓度为5％的乙基纤维素松油醇溶液，经混合均匀得到厚膜浆料；
6)将厚膜浆料通过丝网印刷的方式转印到基片上，于550℃保温2小时排除有机载体，在860～880℃下烧结0.5～2个小时成瓷，即得磁电复合介质厚膜。
2.一种按照权利要求1所述的低温烧结的磁电复合介质厚膜材料的制备方法制成的低温烧结的磁电复合介质厚膜材料，其特征在于：所述的低温烧结的磁电复合介质厚膜材料的组成表达式为：xNi0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88/(1-x)Ba0.6Sr0.4TiO3，其中x为Ni0.37Cu0.20Zn0.43Fe1.92O3.88的体积百分数，且0.2≤x≤0.8，该磁电复合介质厚膜材料在1MHz下介电常数为50～283，介电损耗为0.1％～0.4％，介电可调率为0.2％～5％，饱和磁化强度为8～46emu/g，矫顽场为27.1～30.4G。
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