发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中LTCC的不足,提供一种尖晶石结构低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法,该低温烧结微波介质陶瓷材料从LTCC低温共烧的角度出发,在Li2CoTi3O8中通过掺杂少量的低熔点烧结助剂M,其中M为H3BO3、BaCu(B2O5)、V2O5中的一种,其烧结温度可成功降至900℃左右,同时保持优异的微波性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的:
这种低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料,由重量百分比为96~99.5%的Li2CoTi3O8和重量百分比为0.5~4%的低熔点物质M组成,其中M为H3BO3、BaCu(B2O5)和V2O5中的一种。
制备上述低温烧结尖晶石结构LTCC微波介质陶瓷材料的步骤如下:
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为0.5~4%的低熔点物质M,其中M为H3BO3、BaCu(B2O5)和V2O5中的一种;
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在850-950℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%左右,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。
上述低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料烧成后的相组成为单相的Li2CoTi3O8尖晶石结构。
本发明以Li2CoTi3O8微波介质陶瓷为基础,采用H3BO3、自制的低熔点BaCu(B2O5)、V2O5中的一种作为烧结助剂,成功地将其烧结温度降至900℃左右,同时保持优异的微波介电性能:相对介电常数为20~30,高的品质因子(Q×f=8000~30000GHz),谐振频率温度系数近零,从而使得该材料能与银电极共烧成为可能。这种低温烧结微波介质陶瓷材料化学组成和制备工艺均比较简单,可广泛用于制备集成化的多层介质谐振器、滤波器等多层片式元件,有利于工业化生产。
具体实施方式
实施例1
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为1%的低熔点物质H3BO3。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在850℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=24.9,Q×f=14800GHz,τf=1ppm/℃。掺杂1wt%H3BO3后的样品在850℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容。
实施例2
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为1%的低熔点物质H3BO3。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在875℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=25.7,Q×f=17600GHz,τf=1ppm/℃。可以看出,掺杂1wt%H3BO3后的样品在875℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容(见图1)。
实施例3
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为4%的低熔点物质H3BO3。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在875℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=26.6,Q×f=12900GHz,τf=3ppm/℃。可以看出,掺杂4wt%H3BO3后的样品在875℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容。
实施例4
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为3%的低熔点物质H3BO3。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在925℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=26.2,Q×f=12700GHz,τf=-2ppm/℃。可以看出,掺杂3wt%H3BO3后的样品在925℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容。
实施例5
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为0.5%的低熔点物质BaCu(B2O5)。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在850℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=23.9,Q×f=18100GHz,τf=-2ppm/℃。可以看出,掺杂0.5wt%BaCu(B2O5)后的样品在850℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容。
实施例6
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为1%的低熔点物质BaCu(B2O5)。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在875℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=25.1,Q×f=20500GHz,τf=-3ppm/℃。可以看出,掺杂1wt%BaCu(B2O5)后的样品在875℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容。
实施例7
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为1.5%的低熔点物质BaCu(B2O5)。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在900℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=26.0,Q×f=25200GHz,τf=-7ppm/℃。可以看出,掺杂1.5wt%BaCu(B2O5)后的样品在900℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容(见图2)。
实施例8
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在950℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为2%的低熔点物质BaCu(B2O5)。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在900℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%左右,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=25.7,Q×f=23300GHz,τf=-10ppm/℃。可以看出,掺杂2wt%BaCu(B2O5)后的样品在900℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容。
实施例9
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为0.5%的低熔点物质V2O5。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在850℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%左右,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=25.8,Q×f=22000GHz,τf=2ppm/℃。可以看出,掺杂0.5wt%V2O5后的样品在850℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容。
实施例10
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为0.5%的低熔点物质V2O5。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在875℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%左右,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=25.9,Q×f=24700GHz,τf=2ppm/℃。可以看出,掺杂0.5wt%V2O5后的样品在875℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容(见图3)。
实施例11
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为1.5%的低熔点物质V2O5。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在875℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%左右,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=27.5,Q×f=17100GHz,τf=10ppm/℃。可以看出,掺杂1.5wt%V2O5后的样品在875℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容。
实施例12
1)首先将99.9%以上的分析纯原料Li2CO3、Co2O3和TiO2按摩尔比Li2CO3∶Co2O3∶TiO2=2∶1∶6配制成主粉体;
2)将步骤(1)配制成得主粉体湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后在900℃大气气氛中预烧4小时,然后将预烧粉末粉碎,向其中加入重量百分比为4%的低熔点物质V2O5。
3)将步骤(2)所得产物湿式球磨混合12小时,溶剂为蒸馏水,烘干后添加粘结剂并造粒后,再压制成型,在550℃条件下排胶,最后在950℃大气气氛中烧结2小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液,其剂量占步骤(1)所得主粉体总质量的6%左右,即可得到低温烧结LTCC微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为:εr=26.1,Q×f=8800GHz,τf=48ppm/℃。可以看出,掺杂4wt%V2O5后的样品在950℃时能很好地实现低温烧结,且谐振频率温度系数得到了改善。降温后得粉体能很好地与银电极兼容。
需要指出的是,按照本发明的技术方案,上述实施例还可以举出许多,根据申请人大量的实验结果证明,在本发明的权利要求书所提出的范围,均可以达到本发明的目的。