CN102603192A - 多孔玻璃陶瓷材料、制备方法及制备的超材料基板 - Google Patents

Abstract

本发明提供多孔玻璃陶瓷材料、制备方法及制备的超材料基板，选用ZnO-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂系玻璃陶瓷，采用添加塑性成孔剂，烧结制备的多孔玻璃陶瓷材料的介电常数可以降低到2～3，同时损耗正切角也可以降到0.0001左右；并且该制备方法科学合理、简单易行；以该多孔玻璃陶瓷材料制得的低介电常数、低损耗的基板满足了超材料基板对介电常数和损耗的需求，可以广泛应用于超材料领域内。

Description

多孔玻璃陶瓷材料、制备方法及制备的超材料基板

【技术领域】

本发明涉及多孔玻璃陶瓷材料、制备方法及制备的超材料基板。

【背景技术】

近年来，随着移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统(GPS)、蓝牙技术以及无线局域网(WLAN)等现代通信技术的飞速发展，微波技术也向着更高频率，即向着毫米波和亚毫米波的方向发展。低介电常数微波介质陶瓷材料的研究已越来越受关注。此类材料可广泛应用于卫星通讯，导弹遥控和全球卫星定位系统(GPS)天线，通讯设备等，这些应用领域除了要求陶瓷具有较低的介电损耗、低的谐振频率温度系数外，还要求陶瓷具有较小的介电常数。在信息化浪潮席卷全球的今天，通信设备和便携式终端必然向小型、轻量、薄型、高频、多功能、高性能方向发展。

目前，低介电、低损耗微波介质陶瓷材料主要有Al₂O₃系、SiO₂系、Si₃N₄系、AlN系、玻璃/陶瓷系等，制备这些陶瓷基本是利用其低介电特性，添加烧结助剂，实现陶瓷的低温烧结。

而现在低介电玻璃/陶瓷系的研究主要集中寻找具有低介电常数特性的材料上，但是效果有限，已制备的最低介电常数的微晶玻璃介电常数在5左右，需要进一步降低介电常数以满足当前各领域尤其是超材料领域对低介电材料的使用要求。

【发明内容】

本发明所要解决的第一个技术问题是：选用ZnO-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂系玻璃陶瓷，采用添加塑性成孔剂，烧结制备成低介电常数、低损耗的多孔玻璃陶瓷材料，同时提供其科学合理、简单易行的制备方法。

本发明所要解决的第二个技术问题是：利用该多孔玻璃陶瓷材料制成的基板作为超材料的基板，从而得到低介电常数、低损耗的超材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种多孔玻璃陶瓷材料，由下列重量比的原料制成：

70.1％～85.2％SiO₂、9.6％～28.9％H₃BO₃、0％～16.3％(NH₄)H₂PO₄和0％～10.1％ZnO；

外加塑性成孔剂5.3％～30.1％。

所述的塑性成孔剂为硬脂酸。

一种多孔玻璃陶瓷材料的制备方法，所述的步骤包括：

a、按重量比将70.1％～85.2％SiO₂、9.6％～28.9％H₃BO₃、0％～16.3％(NH₄)H₂PO₄和0％～10.1％ZnO原料混合后湿磨、烘干，然后预烧；

b、利用塑性成孔剂、粘结剂对粉料进行二次湿磨后，干燥过60目筛造粒；

c、将造粒后的粉料再压制成型；

d、压制成型后在高温电炉内升温至500℃，并保温使粘结剂、塑性成孔剂彻底排除，然后升温至900℃～1050℃高温烧结2～4小时，后冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料。

所述的塑性成孔剂为硬脂酸。

所述的硬脂酸按重量比占粉料的5.3％～30.1％。

所述的步骤c中压制成型采用的是双向加压，压力为80MPa～120MPa。

所述的步骤d具体为：压制成型后在高温电炉内以1℃/min的速率升温至500℃，并保温1～2小时使粘结剂、塑性成孔剂彻底排除；然后以10℃/min的速率升温至900℃～1050℃烧结温度并烧结2～4小时；后以20℃/min速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料。

一种超材料基板，所述的基板由多孔玻璃陶瓷材料制成，所述的多孔玻璃陶瓷材料由下列重量比的原料制成：

70.1％～85.2％SiO₂、9.6％～28.9％H₃BO₃、0％～16.3％(NH₄)H₂PO₄和0％～10.1％ZnO；

外加塑性成孔剂5.3％～30.1％。

所述的塑性成孔剂为硬脂酸。

该多孔玻璃陶瓷材料的气孔主要由成孔剂热解排除形成的宏观孔组成，孔径分布和气孔在基质中的分布均匀，其孔径由成孔剂粒径决定，因此可以通过控制成孔剂的粒径达到孔径可控的目的；

本发明的有益效果：选用ZnO-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂系玻璃陶瓷，采用添加塑性成孔剂，烧结制备的多孔玻璃陶瓷材料的介电常数可以降低到2～3，同时损耗正切角也可以降到0.0001左右；并且该制备方法科学合理、简单易行；以该多孔玻璃陶瓷材料制得的低介电常数、低损耗的基板满足了超材料基板对介电常数和损耗的需求，可以广泛应用于超材料领域内。

【附图说明】

图1为本发明制备方法流程图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

多孔玻璃陶瓷材料，按重量比由70.1％～85.2％SiO₂、9.6％～28.9％H₃BO₃、0％～16.3％(NH₄)H₂PO₄和0％～10.1％ZnO的原料制成，外加硬脂酸塑性成孔剂5.3％～30.1％。

制备多孔玻璃陶瓷材料的方法：如图1所示

a、按重量比将70.1％～85.2％SiO₂、9.6％～28.9％H₃BO₃、0％～16.3％(NH₄)H₂PO₄和0％～10.1％ZnO原料混合后湿磨、烘干，然后在400℃下预烧；

b、加入5.3％wt～30.1％wt硬脂酸成孔剂、粘结剂对粉料进行二次湿磨后，喷雾干燥过60目筛造粒；所述的粘结剂一般采用的是聚乙烯醇；

c、将造粒后的粉料经80MPa～120MPa压力双向加压成型；

d、压制成型后在高温电炉内以1℃/min的速率升温至500℃，并保温1～2小时使粘结剂和塑性成孔剂排除干净；然后以10℃/min的速率升温至900℃～1050℃烧结温度并烧结2～4小时；后以20℃/min速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料。

该多孔玻璃陶瓷材料的气孔主要由成孔剂热解排除形成的宏观孔组成，孔径分布和气孔在基质中的分布均匀，其孔径由成孔剂粒径决定，因此可以通过控制成孔剂的粒径达到孔径可控的目的；

选用ZnO-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂系玻璃陶瓷，采用添加塑性成孔剂-硬脂酸，烧结制备的多孔玻璃陶瓷材料的介电常数可以降低到2～3，同时损耗正切角也可以降到0.0001左右；并且该制备方法科学合理、简单易行；

利用上述的多孔玻璃陶瓷材料制成的基板可以作为超材料的基板，这种低介电常数、低损耗的基板满足了超材料基板对介电常数和损耗的需求，可以广泛应用于超材料领域内。

实施例一

按重量比将74.5％SiO₂、13.6％H₃BO₃、7.4％(NH₄)H₂PO₄和4.5％ZnO原料混合加入乙醇，使用氧化铝球作为球磨子，在行星式球磨机中球磨4h后，再在80℃下干燥12h，将干燥后的粉料在400℃下预烧2h；

将预烧后的粉料加入15.5％wt的硬脂酸成孔剂和5.2％wt的聚乙烯醇粘结剂进行二次球磨后，喷雾干燥过60目筛造粒，将造粒后的粉料经120MPa压力双向加压成型；压制成型后在高温电炉内以1℃/min的速率缓慢升温至500℃，并保温2h，确保聚乙烯醇粘结剂及硬脂酸成孔剂彻底排除，之后以10℃/min快速升温至最高烧成温度950℃，并保温3小时，然后以20℃/min的降温速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料；

经过测试，总气孔率为30％、抗压强度为25MPa、介电常数为2.5、损耗正切角为0.0001。

实施例二

按重量比将74.5％SiO₂、13.6％H₃BO₃、11.9％(NH₄)H₂PO₄和0％ZnO原料混合加入乙醇，使用氧化铝球作为球磨子，在行星式球磨机中球磨4h后，再在80℃下干燥12h，将干燥后的粉料在400℃下预烧2h；

将预烧后的粉料加入10.5％wt的硬脂酸成孔剂和5.2％wt的聚乙烯醇粘结剂进行二次球磨后，喷雾干燥过60目筛造粒，将造粒后的粉料经120MPa压力双向加压成型；压制成型后在高温电炉内以1℃/min的速率缓慢升温至500℃，并保温2h，确保聚乙烯醇粘结剂及硬脂酸成孔剂彻底排除，之后以10℃/min快速升温至最高烧成温度950℃，并保温2小时，然后以20℃/min的降温速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料；

经过测试，总气孔率为29％、抗压强度为26MPa、介电常数为2.6、损耗正切角为0.0001。

实施例三

按重量比将74.5％SiO₂、13.6％H₃BO₃、2.1％(NH₄)H₂PO₄和9.8％ZnO原料混合加入乙醇，使用氧化铝球作为球磨子，在行星式球磨机中球磨4h后，再在80℃下干燥12h，将干燥后的粉料在400℃下预烧2h；

将预烧后的粉料加入12.5％wt的硬脂酸成孔剂和5.2％wt的聚乙烯醇粘结剂进行二次球磨后，喷雾干燥过60目筛造粒，将造粒后的粉料经120MPa压力双向加压成型；压制成型后在高温电炉内以1℃/min的速率缓慢升温至500℃，并保温2h，确保聚乙烯醇粘结剂及硬脂酸成孔剂彻底排除，之后以10℃/min快速升温至最高烧成温度950℃，并保温4小时，然后以20℃/min的降温速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料。

经过测试，总气孔率为31％、抗压强度为23MPa、介电常数为2.4、损耗正切角为0.0001。

实施例四

按重量比将74.5％SiO₂、13.6％H₃BO₃、1.1％(NH₄)H₂PO₄和10.8％ZnO原料混合加入乙醇，使用氧化铝球作为球磨子，在行星式球磨机中球磨4h后，再在80℃下干燥12h，将干燥后的粉料在400℃下预烧2h；

将预烧后的粉料加入13.5％wt的硬脂酸成孔剂和5.2％wt的聚乙烯醇粘结剂进行二次球磨后，喷雾干燥过60目筛造粒，将造粒后的粉料经120MPa压力双向加压成型；压制成型后在高温电炉内以1℃/min的速率缓慢升温至500℃，并保温2h，确保聚乙烯醇粘结剂及硬脂酸成孔剂彻底排除干净，之后以10℃/min快速升温至最高烧成温度1000℃，并保温3小时，然后以20℃/min的降温速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料。

经过测试，总气孔率为33％、抗压强度为20MPa、介电常数为2.2、损耗正切角为0.0001。

实施例五

按重量比将74.5％SiO₂、13.6％H₃BO₃、0％(NH₄)H₂PO₄和11.9％ZnO原料混合加入乙醇，使用氧化铝球作为球磨子，在行星式球磨机中球磨4h后，再在80℃下干燥12h，将干燥后的粉料在400℃下预烧2h；

将预烧后的粉料加入20.5％wt的硬脂酸成孔剂和5.2％wt的聚乙烯醇粘结剂进行二次球磨后，喷雾干燥过60目筛造粒，将造粒后的粉料经120MPa压力双向加压成型；压制成型后在高温电炉内以1℃/min的速率缓慢升温至500℃，并保温2h，确保聚乙烯醇粘结剂及硬脂酸成孔剂彻底排除，之后以10℃/min快速升温至最高烧成温度1000℃，并保温4小时，然后以20℃/min的降温速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料。

经过测试，总气孔率为35％、抗压强度为19MPa、介电常数为2.2、损耗正切角为0.0001。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.一种多孔玻璃陶瓷材料，其特征在于：由下列重量比的原料制成：

70.1％～85.2％SiO₂、9.6％～28.9％H₃BO₃、0％～16.3％(NH₄)H₂PO₄和0％～10.1％ZnO；

外加塑性成孔剂5.3％～30.1％。

2.根据权利要求1所述的多孔玻璃陶瓷材料，其特征在于：所述的塑性成孔剂为硬脂酸。

3.一种多孔玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤包括：

a、按重量比将70.1％～85.2％SiO₂、9.6％～28.9％H₃BO₃、0％～16.3％(NH₄)H₂PO₄和0％～10.1％ZnO原料混合后湿磨、烘干，然后预烧；

b、利用塑性成孔剂、粘结剂对粉料进行二次湿磨后，干燥过60目筛造粒；

c、将造粒后的粉料再压制成型；

d、压制成型后在高温电炉内升温至500℃，并保温使粘结剂、塑性成孔剂彻底排除，然后升温至900℃～1050℃高温烧结2～4小时，后冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料。

4.根据权利要求3所述的多孔玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的塑性成孔剂为硬脂酸。

5.根据权利要求4所述的多孔玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的硬脂酸按重量比占粉料的5.3％～30.1％。

6.根据权利要求3所述的多孔玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤c中压制成型采用的是双向加压，压力为80MPa～120MPa。

7.根据权利要求3所述的多孔玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤d具体为：压制成型后在高温电炉内以1℃/min的速率升温至500℃，并保温1～2小时使粘结剂、塑性成孔剂彻底排除；然后以10℃/min的速率升温至900℃～1050℃烧结温度并烧结2～4小时；后以20℃/min速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，获得多孔玻璃陶瓷材料。

8.一种超材料基板，其特征在于：所述的基板由多孔玻璃陶瓷材料制成，所述的多孔玻璃陶瓷材料由下列重量比的原料制成：

70.1％～85.2％SiO₂、9.6％～28.9％H₃BO₃、0％～16.3％(NH₄)H₂PO₄和0％～10.1％ZnO；

外加塑性成孔剂5.3％～30.1％。

9.根据权利要求8所述的超材料基板，其特征在于：所述的塑性成孔剂为硬脂酸。

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