CN101913858A - Li2O-ZnO-TiO2微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Li₂O-ZnO-TiO₂微波介质陶瓷材料及其制备方法。Li₂O-ZnO-TiO₂微波介质陶瓷材料，由Li₂Zn₃Ti₄O₁₂相和TiO₂两相组成。以纯度≥99％的Li₂CO₃、ZnO和TiO₂为主要原料，先按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4，预先煅烧合成主粉体，然后在Li₂Zn₃Ti₄O₁₂主粉体中加入TiO₂相来调节其谐振频率温度系数，从而获得介电常数与Q×f高，谐振频率温度系数近零的新型微波介质材料。本发明制备的微波介质陶瓷，其烧结温度低(约1100℃)，微波性能优异：介电常数(ε_r)大，Q×f值高以及τ_f小；可用于谐振器、微波天线、滤波器等微波器件的制造。

Description

Li2O-ZnO-TiO2微波介质陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子陶瓷及其制造领域，涉及一种微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的迅猛发展，电子整机在小型化、便携式、多功能、数字化及高可靠性、高性能方面的需求，进一步推动了电子元件日益向微型化、集成化和高频化的方向发展。低温共烧陶瓷(low-temperature cofired ceramics，LTCC)技术是实现这一要求的主要途径之一。LTCC技术的应用都要求微波介质陶瓷材料能与高电导率的金属电极Cu、Ag共烧。因此，降低材料的烧结温度、使其能够与Ag或Cu共烧是目前微波介质陶瓷研究的主要方向。

人们采用了多种方法来实现微波介质陶瓷材料的低温烧结，其中最常用的方法就是将低熔点氧化物或玻璃相等烧结助剂加入到瓷粉中，通过液相烧结来降低陶瓷的烧结温度。但是这种方法降低烧结温度的程度有限(不容易获得烧结温度低于900℃的介质陶瓷)，而且高掺杂量的烧结助剂会不同程度地恶化材料的微波介电性能。另外一种方法就是采用超细粉体作初始原料，但是超细粉体的制备工艺复杂，对绝大多数材料而言，烧结温度降低的程度有限，很难满足实际的需要。因此开发固有烧结温度低(≤1100℃)、性能优异的材料体系便成为微波介质陶瓷发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低损耗、高介电常数，并且可在1100℃以下烧结的Li₂O-ZnO-TiO₂微波介质陶瓷材料及其制备方法。

Li₂O-ZnO-TiO₂微波介质陶瓷材料，由Li₂Zn₃Ti₄O₁₂相和TiO₂两相组成。

所述的Li₂O-ZnO-TiO₂微波介质陶瓷材料的制备方法具体步骤为：

1)将纯度≥99％的Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4～8小时，取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温2～6h，制成烧块，即合成Li₂Zn₃Ti₄O₁₂主晶相；

3)将烧块粉碎，按(1-x)Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-xTiO₂加入TiO₂，其中0≤x＜1；按照粉体与分析纯酒精的重量比为1∶1加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4～8小时，取出在120℃～140℃温度下烘干，经造粒后压制成小圆柱，直径为12mm，厚度为6mm，在500℃～600℃条件下排胶4-6小时，随炉冷却，然后在1050℃～1100℃下烧结2小时～4小时。

本发明制备的微波介质陶瓷，其烧结温度低(约1100℃)，微波性能优异：介电常数(ε_r)大，Q×f值高以及τ_f近零；可用于谐振器、微波天线、滤波器等微波器件的制造。

具体实施方式

实施例1：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在120℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至850℃并在此温度下保温4h，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎，按照粉料与分析纯酒精的质量比为1∶1向粉料中加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在120℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，于500℃排胶4h，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1075℃下烧结2h即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝20.8，Q×f＝104700GHz，τ_f＝-48.8ppm/℃。

实施例2：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在120℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至850℃并在此温度下保温4h，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎，再按0.95Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-0.05TiO₂向主粉体中加入TiO₂，按照粉料与分析纯酒精的质量比为1∶1向粉料中加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在120℃下烘干，造粒后压制成直径为10mm，厚度为5mm的小圆柱，于500～600℃排胶4h，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1050℃下烧结2h即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝21.1，Q×f＝92500GHz，τ_f＝-46.8ppm/℃。

实施例3：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在130℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4h，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎，再按0.9Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-0.1TiO₂向主粉体中加入TiO₂，按照粉料与分析纯酒精的质量比为1∶1向粉料中加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在130℃下烘干，造粒后压制成直径为11mm，厚度为7mm的小圆柱，于550℃排胶5h，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1075℃下烧结2h即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝21.9，Q×f＝82500GHz，τ_f＝-45.8ppm/℃。

实施例4：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在130℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至900℃并在此温度下保温4h，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎，再按0.85Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-0.15TiO₂向主粉体中加入TiO₂，按照粉料与分析纯酒精的质量比为1∶1向粉料中加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在135℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm，厚度为6mm的小圆柱，于550℃排胶6h，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1075℃下烧结2h即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝22.2，Q×f＝80400GHz，τ_f＝-40.2ppm/℃。

实施例5：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至950℃并在此温度下保温4h，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎，再按0.8Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-0.2TiO₂向主粉体中加入TiO₂，按照粉料与分析纯酒精的质量比为1∶1向粉料中加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm，厚度为6mm的小圆柱，于600℃排胶5h，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1075℃下烧结2h即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝23.1，Q×f＝69100GHz，τ_f＝-36.2ppm/℃。

实施例6：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至950℃并在此温度下保温4h，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎，再按0.6Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-0.4TiO₂向主粉体中加入TiO₂，按照粉料与分析纯酒精的质量比为1∶1向粉料中加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm，厚度为6mm的小圆柱，于600℃排胶6h，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1100℃下烧结2h即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝24.1，Q×f＝67400GHz，τ_f＝-19.2ppm/℃。

实施例7：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至950℃并在此温度下保温4h，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎，再按0.5Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-0.5TiO₂向主粉体中加入TiO₂，按照粉料与分析纯酒精的质量比为1∶1向粉料中加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm，厚度为6mm的小圆柱，于600℃排胶6h，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1100℃下烧结2h即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝26.6，Q×f＝65300GHz，τ_f＝6.2ppm/℃。

实施例8：

1)首先将Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的质量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4小时，磨细后在135℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状原料由室温升至950℃并在此温度下保温4h，制成烧块；

3)将上述制成的烧块粉碎，再按0.4Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-0.6TiO₂向主粉体中加入TiO₂，按照粉料与分析纯酒精的质量比为1∶1向粉料中加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4小时后取出，放入烘炉内在140℃下烘干，造粒后压制成直径为12mm，厚度为6mm的小圆柱，于600℃排胶4h，随炉冷却后得到瓷料，再将瓷料在1100℃下烧结2h即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝28.1，Q×f＝62300GHz，τ_f＝18.2ppm/℃。

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。

Claims (2)

1.一种微波介质陶瓷材料，其特征在于由Li₂Zn₃Ti₄O₁₂相和TiO₂两相组成。

2.根据权利要求1所述的微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

1)将纯度≥99％的Li₂CO₃、ZnO和TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶ZnO∶TiO₂＝1∶3∶4配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按照主粉体与分析纯酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入分析纯酒精，采用湿磨法混合4～8小时，取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温2～6h，制成烧块，即合成Li₂Zn₃Ti₄O₁₂主晶相；

3)将烧块粉碎，按(1-x)Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-xTiO₂加入TiO₂，其中0≤x＜1；按照粉体与分析纯酒精的重量比为1∶1加入分析纯酒精，放入尼龙罐中球磨4～8小时，取出在120℃～140℃温度下烘干，经造粒后压制成小圆柱，直径为10～12mm，厚度为5～7mm，在500℃～600℃条件下排胶4-6小时，随炉冷却，然后在1050℃～1100℃下烧结2～4小时。