CN101774812B - 溶胶凝胶技术制备钽酸镁微波陶瓷粉体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溶胶凝胶技术制备钽酸镁微波陶瓷粉体的方法,步骤如下:(1)配制钽的柠檬酸水溶液,柠檬酸与钽离子的摩尔比为2∶1~6∶1;(2)配制镁的柠檬酸水溶液,柠檬酸与硝酸镁的摩尔比为5∶1~10∶1,pH值为3~5;(3)制备Mg-Ta前驱体溶液、干凝胶以及纳米粉体。本发明克服了目前固相法合成钽酸镁微波陶瓷粉体的合成温度高、粒度大、物相不纯等缺点,制备出平均粒径为40~80nm的高纯度钽酸镁微波陶瓷纳米粉体。
Description
技术领域
本发明是关于电子信息材料与元器件的,特别涉及一种制备钽酸镁(Mg4Ta2O9)微波陶瓷粉体的方法。
背景技术
微波介质陶瓷(MWDC)是指应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段,300MHz~300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。微波介质陶瓷主要用于用作谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件。可用于移动通讯、卫星通讯和军用雷达等方面。随着科学技术日新月异的发展,通信信息量的迅猛增加,以及人们对无线通信的要求,使用卫星通讯和卫星直播电视等微波通信系统已成为当前通信技术发展的必然趋势。
随着微波通信产业的发展,产业对基板材料和电子封装陶瓷提出了更高的要求:很高的Q·f值和较低的介电常数。因此,许多高Q值材料得到了深入的研究和开发,其中,刚玉结构的Al2O3陶瓷具有非常高的Q·f=120000GHz和相对较低的介电常数。由于α-Al2O3陶瓷具有良好导热性能和优异的微波介电性能,已被深入地进行了研究,并得到了广泛的应用。然而,氧化铝陶瓷的烧结温度一般在1600-1800℃之间,而且通过多相复合的方法不能改善其较大的负谐振频率温度系数,这些都限制了α-Al2O3陶瓷作为低温烧结基板材料的进一步发展。
在具有刚玉型结构的微波陶瓷中,Mg4Ta2O9陶瓷其晶体结构为空间群为P3c1(第165号),晶格参数为a=5.1612和b=14.028埃。该类型晶体结构决定了它具有优异的微波介电性能,在1400℃烧结的Mg4Ta2O9陶瓷,Q·f值可以达到250000GHz以上,而介电常数与α-Al2O3陶瓷几乎接近。与具有相同晶体结构Mg4Nb2O9陶瓷相比,其Q·f更高,二者适用于不同的微波频率下进行工作,互为补充;因此,Mg4Ta2O9陶瓷在微波频段下,可望成为新一种取代氧化铝陶瓷成为高Q值的微波陶瓷。
从目前研究资料看,关于MgO-Ta2O5系统材料体系的制备技术整体上以固相合成为主,Mg4Ta2O9体系合成温度过高(合成温度在1000℃以上),所合成的陶瓷粉料粒度处于微米级别,不利于后期微波陶瓷的烧结。基于上述现状,本发明利用溶胶凝胶技术,通过液相法率先制备Mg4Ta2O9陶瓷纳米级别粉体,为烧结该体系微波陶瓷提供优质纳米粉料。
发明内容
本发明的目的是克服MgO-Ta2O5系统固相合成钽酸镁粉体温度偏高、合成粉体粒度较大的缺点,利用溶胶凝胶技术,制备纳米级别的Mg4Ta2O9陶瓷粉体。本发明的微波陶瓷粉体颗粒细小、均匀,合成温度低,可为烧结性能良好的钽酸镁微波陶瓷提供优质的前期粉体。
本发明的溶胶凝胶法制备钽酸镁微波陶瓷粉体的制备方法,具有以下步骤:
(1)配制钽的柠檬酸水溶液
(a)按照五氧化二钽与碳酸钾的摩尔比为1∶5~1∶10配料,按照与碳酸钾的摩尔比为1∶5~1∶10配料,将两者混合均匀,装入高铝坩埚内,于700~1000℃熔融,得到钽酸钾;
(b)将步骤(a)的钽酸钾溶解于500ml去离子水,加入硝酸,调整其pH值为3~5,确保全部生成钽酸沉淀;
(c)离心分离、洗涤上述钽酸沉淀,然后将该钽酸加入到柠檬酸水溶液中,并于水浴加热,使钽酸完全溶解,形成钽的柠檬酸水溶液,其中,柠檬酸与钽离子的摩尔比为2∶1~6∶1;
(2)配制镁的柠檬酸水溶液
(a)称取硝酸镁,溶解于100ml去离子水;
(b)将上述溶液中加入柠檬酸,保证柠檬酸与硝酸镁的摩尔比为5∶1~10∶1,并溶解充分,调整其pH值为3~5;
(c)水浴加热,不断搅拌,保证形成镁的柠檬酸水溶液。
(3)Mg-Ta前驱体溶液、干凝胶以及纳米粉体的获得
(a)将上述(1)、(2)制备的钽的柠檬酸水溶液、镁的柠檬酸水溶液混合均匀,然后加入乙二醇作为酯化剂,乙二醇的加入摩尔量为柠檬酸的4-6倍;通过水浴加热、不断搅拌,保证均匀,获得Mg-Ta前驱体溶液;
(b)将制备的Mg-Ta前驱体溶液置于烘箱内烘干,形成干凝胶;
(c)将干凝胶置于高温炉中煅烧处理,获得颗粒均匀的纳米级钽酸镁粉体。
本发明的有益效果是,利用溶胶凝胶技术在较低温度下制备出的纳米级Mg4Ta2O9陶瓷粉体。通过场发射扫描电镜以及XRD衍射仪测试结果表明,该技术合成的微波陶瓷粉体颗粒细小、均匀,具有纳米级别的尺度,具有良好的烧结特性,同时,粉体纯度高,没有任何杂质,可作为后期陶瓷烧结的优质粉体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述,本发明均采用市售的化学纯原料。
实施例1
(1)配制钽的柠檬酸水溶液
(a)按照五氧化二钽与碳酸钾的摩尔比为1∶5配料,分别称取五氧化二钽粉体5.326克、助溶剂碳酸钾13.819克;五氧化二钽粉末与碳酸钾粉末混合均匀,装入高铝坩锅内,于1000度熔融2h,得到钽酸钾;
(b)将步骤(a)的钽酸钾溶解于500ml去离子水,加入硝酸,调整其pH值为3,确保全部生成钽酸沉淀;
(c)称取柠檬酸15.3712克,加入500ml去离子水,形成柠檬酸水溶液;将上述步骤(b)的钽酸沉淀进行离心分离、洗涤,然后将该钽酸加入到柠檬酸水溶液中,并于水浴80℃加热,使钽酸完全溶解,形成钽的柠檬酸水溶液。
(2)配制镁的柠檬酸水溶液
(a)称量六水硝酸镁20.513克,溶解于100ml去离子水;
(b)然后称量柠檬酸76.856克,并加入到将上述溶液,保证柠檬酸与硝酸镁的摩尔比为5∶1,保证溶解充分,调整其pH值为3;
(c)水浴80℃加热,不断搅拌,保证形成镁的柠檬酸水溶液。
(3)Mg-Ta前驱体溶液、干凝胶以及纳米粉体的获得
(a)将上述(1)、(2)制备的钽的柠檬酸水溶液、镁的柠檬酸水溶液混合均匀,然后加入乙二醇作为酯化剂,乙二醇的加入摩尔量为柠檬酸的4倍;通过水浴80℃加热、不断搅拌,保证均匀,获得Mg-Ta前驱体溶液;
(b)将制备的Mg-Ta前驱体溶液置于烘箱100℃进行烘干,形成干凝胶;
(c)采用箱式电阻炉550℃氧气气氛下将干凝胶进行煅烧处理;通过进一步研磨,可得均匀、颗粒细小的纳米级钽酸镁(Mg4Ta2O9)粉体;采用场发射扫描电镜(JEOL JSM-7600F,Japan)测试该纳米粉体颗粒的平均粒径分布为40-50nm。
实施例2
(1)配制钽的柠檬酸水溶液
(a)按照五氧化二钽与碳酸钾的摩尔比为1∶10配料,分别称取五氧化二钽粉体5.326克、助溶剂碳酸钾27.638克;五氧化二钽粉末与碳酸钾粉末混合均匀,装入高铝坩锅内,于700度熔融4h,得到钽酸钾;
(b)将步骤(a)的钽酸钾溶解于500ml去离子水,加入硝酸,调整其pH值为4,确保全部生成钽酸沉淀;
(c)称取柠檬酸7.6854克,加入500ml去离子水,形成柠檬酸水溶液;将上述步骤(b)的钽酸沉淀进行离心分离、洗涤,然后将该钽酸加入到柠檬酸水溶液中,并于水浴45℃加热,使钽酸完全溶解,形成钽的柠檬酸水溶液。
(2)配制镁的柠檬酸水溶液
(a)称量六水硝酸镁20.513克,溶解于100ml去离子水;
(b)然后称量柠檬酸153.712克,并加入到将上述溶液,保证柠檬酸与硝酸镁的摩尔比为10∶1,保证溶解充分,调整其pH值为4;
(c)水浴45℃加热,不断搅拌,保证形成镁的柠檬酸水溶液。
(3)Mg-Ta前驱体溶液、干凝胶以及纳米粉体的获得
(a)将上述(1)、(2)制备的钽的柠檬酸水溶液、镁的柠檬酸水溶液混合均匀,然后加入乙二醇作为酯化剂,乙二醇的加入摩尔量为柠檬酸的5倍;通过水浴45℃加热、不断搅拌,保证均匀,获得Mg-Ta前驱体溶液;
(b)将制备的Mg-Ta前驱体溶液置于烘箱100℃进行烘干,形成干凝胶;
(c)采用箱式电阻炉650℃氧气气氛下将干凝胶进行煅烧处理;通过进一步研磨,可得均匀、颗粒细小的纳米级钽酸镁(Mg4Ta2O9)粉体;采用场发射扫描电镜(JEOL JSM-7600F,Japan)测试该纳米粉体颗粒的平均粒径分布为50-60nm。
实施例3
(1)配制钽的柠檬酸水溶液
(a)按照五氧化二钽与碳酸钾的摩尔比为1∶8配料,分别称取五氧化二钽粉体5.326克、助溶剂碳酸钾22.1104克;五氧化二钽粉末与碳酸钾粉末混合均匀,装入高铝坩锅内,于800度熔融5h,得到钽酸钾;
(b)将步骤(a)的钽酸钾溶解于500ml去离子水,加入硝酸,调整其pH值为5,确保全部生成钽酸沉淀;
(c)称取柠檬酸23.0568克,加入500ml去离子水,形成柠檬酸水溶液;将上述步骤(b)的钽酸沉淀进行离心分离、洗涤,然后将该钽酸加入到柠檬酸水溶液中,并于水浴60℃加热,使钽酸完全溶解,形成钽的柠檬酸水溶液。
(2)配制镁的柠檬酸水溶液
(a)称量六水硝酸镁20.513克,溶解于100ml去离子水;
(b)然后称量柠檬酸92.2272克,并加入到将上述溶液,保证柠檬酸与硝酸镁的摩尔比为6∶1,保证溶解充分,调整其pH值为5;
(c)水浴60℃加热,不断搅拌,保证形成镁的柠檬酸水溶液。
(3)Mg-Ta前驱体溶液、干凝胶以及纳米粉体的获得
(a)将上述(1)、(2)制备的钽的柠檬酸水溶液、镁的柠檬酸水溶液混合均匀,然后加入乙二醇作为酯化剂,乙二醇的加入摩尔量为柠檬酸的5倍;通过水浴60℃加热、不断搅拌,保证均匀,获得Mg-Ta前驱体溶液;
(b)将制备的Mg-Ta前驱体溶液置于烘箱100℃进行烘干,形成干凝胶;
(c)采用箱式电阻炉750℃氧气气氛下将干凝胶进行煅烧处理;通过进一步研磨,可得均匀、颗粒细小的纳米级钽酸镁(Mg4Ta2O9)粉体;采用场发射扫描电镜(JEOL JSM-7600F,Japan)测试该纳米粉体颗粒的平均粒径分布为60-70nm。
实施例4
(1)配制钽的柠檬酸水溶液
(a)按照五氧化二钽与碳酸钾的摩尔比为1∶6配料,分别称取五氧化二钽粉体5.326克、助溶剂碳酸钾16.5828克;五氧化二钽粉末与碳酸钾粉末混合均匀,装入高铝坩锅内,于900度熔融6h,得到钽酸钾;
(b)将步骤(a)的钽酸钾溶解于500ml去离子水,加入硝酸,调整其pH值为4.5,确保全部生成钽酸沉淀;
(c)称取柠檬酸19.2克,加入500ml去离子水,形成柠檬酸水溶液;将上述步骤(b)的钽酸沉淀进行离心分离、洗涤,然后将该钽酸加入到柠檬酸水溶液中,并于水浴70℃加热,使钽酸完全溶解,形成钽的柠檬酸水溶液。
(2)配制镁的柠檬酸水溶液
(a)称量六水硝酸镁20.513克,溶解于100ml去离子水;
(b)然后称量柠檬酸122.9696克,并加入到将上述溶液,保证柠檬酸与硝酸镁的摩尔比为8∶1,保证溶解充分,调整其pH值为4.5;
(c)水浴70℃加热,不断搅拌,保证形成镁的柠檬酸水溶液。
(3)Mg-Ta前驱体溶液、干凝胶以及纳米粉体的获得
(a)将上述(1)、(2)制备的钽的柠檬酸水溶液、镁的柠檬酸水溶液混合均匀,然后加入乙二醇作为酯化剂,乙二醇的加入摩尔量为柠檬酸的6倍;通过水浴70℃加热、不断搅拌,保证均匀,获得Mg-Ta前驱体溶液;
(b)将制备的Mg-Ta前驱体溶液置于烘箱100℃进行烘干,形成干凝胶;
(c)采用箱式电阻炉850℃氧气气氛下将干凝胶进行煅烧处理;通过进一步研磨,可得均匀、颗粒细小的纳米级钽酸镁(Mg4Ta2O9)粉体;采用场发射扫描电镜(JEOL JSM-7600F,Japan)测试该纳米粉体颗粒的平均粒径分布为70-80nm。
Claims (6)
1.一种溶胶凝胶技术制备钽酸镁微波陶瓷粉体的方法,具有以下步骤:
(1)配制钽的柠檬酸水溶液
(a)按照五氧化二钽与碳酸钾的摩尔比为1∶5~1∶10配料,将两者混合均匀,装入高铝坩埚内,于700~1000℃熔融,得到钽酸钾;
(b)将步骤(a)的钽酸钾溶解于500ml去离子水,加入硝酸,调整其pH值为3~5,确保全部生成钽酸沉淀;
(c)离心分离、洗涤步骤(b)的钽酸沉淀,按柠檬酸与钽离子的摩尔比为2∶1~6∶1称取柠檬酸,加入500ml去离子水,形成柠檬酸水溶液,然后将钽酸加入到柠檬酸水溶液中,并于水浴加热,使钽酸完全溶解,形成钽的柠檬酸水溶液;
(2)配制镁的柠檬酸水溶液
(a)称取硝酸镁,溶解于100ml去离子水;
(b)将步骤(a)溶液中加入柠檬酸,保证柠檬酸与硝酸镁的摩尔比为5∶1~10∶1,并溶解充分,调整其pH值为3~5;
(c)水浴加热,不断搅拌,保证形成镁的柠檬酸水溶液;
(3)制备Mg-Ta前驱体溶液、干凝胶以及纳米粉体
(a)将步骤(1)、(2)制备的钽的柠檬酸水溶液、镁的柠檬酸水溶液混合均匀,然后加入乙二醇作为酯化剂,乙二醇的加入摩尔量为柠檬酸的4-6倍;通过水浴加热、不断搅拌,保证均匀,获得Mg-Ta前驱体溶液;
(b)将制备的Mg-Ta前驱体溶液置于烘箱内烘干,形成干凝胶;
(c)将干凝胶置于高温炉中热处理,获得颗粒均匀的纳米级钽酸镁粉体。
2.根据权利要求1的溶胶凝胶技术制备钽酸镁微波陶瓷粉体的方法,其特征在于,所述步骤(1)(a)的熔融时间是2~6小时。
3.根据权利要求1的溶胶凝胶技术制备钽酸镁微波陶瓷粉体的方法,其特征在于,所述步骤(1)(c)和步骤(2)(c)的水浴温度为45℃~80℃。
4.根据权利要求1的溶胶凝胶技术制备钽酸镁微波陶瓷粉体的方法,其特征在于,所述步骤(3)(b)的烘干温度为100℃。
5.根据权利要求1的溶胶凝胶技术制备钽酸镁微波陶瓷粉体的方法,其特征在于,所述步骤(3)(c)的热处理温度为550℃~850℃。
6.根据权利要求1的溶胶凝胶技术制备钽酸镁微波陶瓷粉体的方法,其特征在于,所述步骤(3)(c)制得的钽酸镁纳米粉体的平均粒径为40~80nm。
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