发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种氧化铝基微波介质陶瓷,烧结温度低,致密性好。
本发明提供了一种氧化铝基微波介质陶瓷,其化学组成的表达式为式(I):
xα-Al2O3-(1-x)R(I);
其中,x为0.965~0.99;
R为改性添加剂,包括第一添加剂和第二添加剂,所述第一添加剂为MgO、CaCO3和SiO2,所述第二添加剂为K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种;
MgO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.2mol%~1.5mol%;
CaCO3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.03mol%~1mol%;
K2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%;
Na2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;
ZnO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;
Y2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.4mol%;
SiO2的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.3mol%~1.8mol%;
B2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%。
优选的,Y2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.1mol%~0.3mol%。
优选的,ZnO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.1mol%~0.3mol%。
优选的,MgO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.4mol%~1.2mol%。
优选的,CaCO3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.04mol%~0.5mol%。
优选的,SiO2的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.3mol%~1.3mol%。
本发明还提供了一种氧化铝基微波介质陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(A)将α-Al2O3、第一添加剂和第二添加剂进行球磨,烘干得到粉体;
所述第一添加剂为MgO、CaCO3和SiO2,所述第二添加剂为K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种;
(B)将所述粉体造粒,干压成型,得到压片;
(C)将所述压片在1450~1550℃烧结,得到氧化铝基微波介质陶瓷,其化学组成的表达式为式(I):
xα-Al2O3-(1-x)R(I);
其中,x为0.965~0.99;
R为改性添加剂,包括第一添加剂和第二添加剂,所述第一添加剂为MgO、CaCO3和SiO2,所述第二添加剂为K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种;
MgO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.2mol%~1.5mol%;
CaCO3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.03mol%~1mol%;
K2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%;
Na2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;
ZnO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;
Y2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.4mol%;
SiO2的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.3mol%~1.8mol%;
B2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%。
优选的,所述步骤(A)中,所述α-Al2O3、第一添加剂和第二添加剂的粒径分布均满足D50≤0.2μm。
优选的,所述步骤(B)中,所述造粒时添加粘结剂,所述粘结剂为5~8wt%聚乙烯醇溶液。
优选的,所述步骤(C)中,所述烧结的时间为1~3小时。
与现有技术相比,本发明氧化铝基微波介质陶瓷的化学组成的表达式为:xα-Al2O3-(1-x)R,其中,x为0.965~0.99;
R为改性添加剂,包括第一添加剂和第二添加剂,所述第一添加剂为MgO、CaCO3和SiO2,所述第二添加剂为K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种;MgO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.2mol%~1.5mol%;CaCO3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.03mol%~1mol%;K2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%;Na2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;ZnO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;Y2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.4mol%;SiO2的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.3mol%~1.8mol%;B2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%。
本发明以α-Al2O3为基体,在其中掺杂了MgO、CaCO3和SiO2,以及K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种作为改性添加剂,提高了氧化铝的活性,从而降低了烧结温度,降低能耗。其次,氧化铝与改性添加剂配合使用,特别是束缚晶粒生长的Y2O3和细晶化ZnO,能够抑制氧化铝晶粒在高温反应过程的异常生长,提高了陶瓷的致密性,拓宽了生产和使用工艺条件。实验结果表明,本发明得到的氧化铝基微波介质陶瓷介电常数ε为9.4~9.9,品质因数Q>12000(测试频率12GHz),瓷体密度>3.8g/cm3,导热率>30W/mK,热膨胀系数为8~8.3ppm/℃,抗弯强度>3000kg/cm2,含水率<0.01%。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种氧化铝基微波介质陶瓷,其化学组成的表达式为式(I):
xα-Al2O3-(1-x)R(I);
其中,x为0.965~0.99;
R为改性添加剂,包括第一添加剂和第二添加剂,所述第一添加剂为MgO、CaCO3和SiO2,所述第二添加剂为K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种;
MgO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.2mol%~1.5mol%;
CaCO3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.03mol%~1mol%;
K2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%;
Na2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;
ZnO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;
Y2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.4mol%;
SiO2的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.3mol%~1.8mol%;
B2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%。
本发明的氧化铝基微波介质陶瓷,以α-Al2O3为基体,R为改性添加剂,R包括第一添加剂和第二添加剂。所述第一添加剂为MgO、CaCO3和SiO2,所述第二添加剂为K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种。
Y2O3的含量优选为氧化铝基微波介质陶瓷的0.1mol%~0.3mol%。ZnO的含量优选为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.3mol%。MgO的含量优选为氧化铝基微波介质陶瓷的0.4mol%~1.2mol%。CaCO3的含量优选为氧化铝基微波介质陶瓷的0.04mol%~0.5mol%。K2O的含量优选为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.1mol%。Na2O的含量优选为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.1mol%。SiO2的含量优选为氧化铝基微波介质陶瓷的0.3mol%~1.3mol%。B2O3的含量优选为氧化铝基微波介质陶瓷的0.1mol%~0.3mol%。
所述氧化铝基微波介质陶瓷更优选的化学组成为:x为0.965,
本发明公开了一种氧化铝基微波介质陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(A)将α-Al2O3、第一添加剂和第二添加剂进行球磨,烘干得到粉体;
所述第一添加剂为MgO、CaCO3和SiO2,所述第二添加剂为K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种;
(B)将所述粉体造粒,干压成型,得到压片;
(C)将所述压片在1450~1550℃烧结,得到氧化铝基微波介质陶瓷,其化学组成的表达式为式(I):
xα-Al2O3-(1-x)R(I);
其中,x为0.965~0.99;
R为改性添加剂,包括第一添加剂和第二添加剂,所述第一添加剂为MgO、CaCO3和SiO2,所述第二添加剂为K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种;
MgO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.2mol%~1.5mol%;
CaCO3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.03mol%~1mol%;
K2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%;
Na2O的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;
ZnO的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.6mol%;
Y2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.4mol%;
SiO2的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0.3mol%~1.8mol%;
B2O3的含量为氧化铝基微波介质陶瓷的0mol%~0.5mol%。
本发明选用的原料为α-Al2O3、第一添加剂和第二添加剂,其纯度为分析纯或者更高纯度。α-Al2O3为基体材料,所述第一添加剂为MgO、CaCO3和SiO2,所述第二添加剂为K2O、Na2O、ZnO、Y2O3和B2O3中的一种或多种。所述α-Al2O3、第一添加剂和第二添加剂的粒径分布优选为D50≤0.2μm,更优选为D50≤0.1μm。如果选用的原料粒径较大,优选采用机械方法将原料研磨成粒径符合要求的粉末,即粒径分布D50≤0.2μm。
α-Al2O3的纯度优选为高于99.9wt%,其用量为96.5mol%~99mol%,优选为97mol%~98mol%。本发明对α-Al2O3的来源没有特殊限制,由市场购买即可。所述α-Al2O3的摩尔量占所有原料的0.965~0.99。
所述改性添加剂的摩尔量占所有原料的0.035~0.01。
CaCO3的纯度优选为99.9wt%以上,其用量为所有原料摩尔量之和的0.03mol%~1mol%,优选为0.04mol%~0.5mol%。本发明对碳酸钙的来源没有特殊限制,由市场购买即可。
MgO的纯度优选为99.9wt%以上,其用量为所有原料摩尔量之和的0.2mol%~1.5mol%,优选为0.4mol%~1.2mol%。本发明对氧化镁的来源没有特殊限制,由市场购买即可。
K2O的纯度优选为99.9wt%以上,其用量为所有原料摩尔量之和的0mol%~0.5mol%,优选为0mol%~0.1mol%。本发明对氧化钾的来源没有特殊限制,由市场购买即可。
Na2O的纯度优选为99.9wt%以上,其用量为所有原料摩尔量之和的0mol%~0.6mol%,优选为0mol%~0.1mol%。本发明对氧化钠的来源没有特殊限制,由市场购买即可。
Y2O3的纯度优选为99.9wt%以上,其用量为所有原料摩尔量之和的0mol%~0.4mol%,优选为0.1mol%~0.3mol%。本发明对Y2O3的来源没有特殊限制,由市场购买即可。
ZnO的纯度优选为99.9wt%以上,其用量为所有原料摩尔量之和的0mol%~0.6mol%Y2O3,优选为0mol%~0.3mol%。本发明对氧化锌的来源没有特殊限制,由市场购买即可。
SiO2的纯度优选为99.9wt%以上,其用量为所有原料摩尔量之和的0.3mol%~1.8mol%,优选为0.3mol%~1.3mol%。本发明对氧化锌的来源没有特殊限制,由市场购买即可。
B2O3的纯度优选为99.9wt%以上,其用量为所有原料摩尔量之和的0mol%~0.5mol%,优选为0mol%~0.3mol%。本发明对氧化锌的来源没有特殊限制,由市场购买即可。
本发明中首先将将α-Al2O3、第一添加剂和第二添加剂进行球磨,烘干得到粉体。本发明对球磨没有特殊限制,优选为在介质中利用磨球进行球磨,所述介质优选为乙醇,所述磨球可以为氧化锆磨球也可以为氮化硅磨球。在球磨过程中原料、磨球和介质的质量比优选为1:3:1.5。所述球磨的时间优选为2~6小时,更优选为3~4小时。球磨后的混合物为浆料状态,需要进行烘干得到粉体。所述烘干的温度优选为100~110℃。所述烘干后优选过筛后再进行造粒,所述过筛优选用40~50目的筛网。
得到粉体后,将其造粒,干压成型,得到压片。所述造粒优选为将粉体与粘结剂混合成浆料进行喷雾造粒。所述粘结剂优选为质量浓度为5~8wt%的聚乙烯醇溶液,所述粘结剂的用量优选为10~15wt%。本发明对喷雾造粒的方法没有特殊限制。所述干压成型的压力优选为100~150MPa。所述压片的形状没有特别限制,优选为圆柱块体,更优选为12×6mm的圆柱块体。得到压片后,优选去除成型的压片中的粘结剂,去除粘结剂的方法优选为将压片在550~650℃下保温1~3小时。
得到压片后,将其在1450~1550℃烧结,得到微波介质陶瓷。所述烧结温度优选为1455~1540℃,所述烧结时间优选为1~3小时。
采用网络分析仪(Agilent5071C)及相关配套夹具测试得到的微波介质陶瓷的微波介电性能和热力学性能,测试频率为12GHz,结果表明,本发明制备的微波介质陶瓷具有以下性能:本发明得到的氧化铝基微波介质陶瓷介电常数ε为9.4~9.9,品质因数Q>12000,瓷体密度>3.8g/cm3,导热率>30W/mK,热膨胀系数为8~8.3ppm/℃,抗弯强度>3000kg/cm2,含水率<0.01%。
以上性能符合介质谐振器和滤波器对微波介质陶瓷的全部要求,另外本发明的微波介质陶瓷外观光泽,极易清洁,工艺范围宽,适合批量生产和应用。
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明提供的氧化铝基微波介质陶瓷及其制备方法进行说明,本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
选用分析纯的α-Al2O3、MgO、CaCO3、K2O、Y2O3、SiO2和B2O3,所有原料需要采用机械方法将粉末状原料研磨成细颗粒,经研磨处理后的粉末状原料,由激光衍射散射方法测得的粒径分布中满足关系D50≤0.19μm。
取0.965molα-Al2O3、0.004molMgO、0.01molCaCO3、0.001molK2O、0.001molY2O3、0.018mol SiO2和0.001mol B2O3放入树脂球磨罐中,加入去离子水和ZrO2磨球;原料:磨球:去离子水重量比为1:3:1.5;球磨4小时,混合均匀后出料,将其在100℃下烘干,然后用研钵研碎后过40筛,得到粉体。
在所述粉体中加入15wt%的质量浓度为5wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒,并过40目筛。
将造粒好的粉料放入模具在150MPa压力下干压成型为
12×6mm的圆柱块体;然后将成型好的块体在600℃下恒温2小时以除去粘结剂,其升温速率为5℃/分钟;最后以相同升温速率在1500℃下烧结2小时,最终制得氧化铝基微波介质陶瓷。
对得到的陶瓷性能进行测试,结果参见表2,表2为各实施例制备的氧化铝基微波介质陶瓷的性能参数。
实施例2~24
按照表1的物料比例,参照实施例1的方法制备氧化铝基介质陶瓷。
表1制备氧化铝基介质陶瓷的物料比
表2各实施例制备的氧化铝基微波介质陶瓷的性能参数
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。