CN103360070A

CN103360070A - 一种基于陶瓷基板超材料及制备方法

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Publication number: CN103360070A
Application number: CN2012100929767A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 徐冠雄; 缪锡根; 熊晓磊
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: CN103360070B

Abstract

本发明提供一种基于陶瓷基板超材料的制备方法及超材料，将陶瓷粉末、溶剂和粘结剂混合均匀配制陶瓷浆料，将陶瓷浆料流延制成生瓷带，并烘干，并在生瓷带上制备金属微结构，将带有金属微结构的生瓷带切割或冲出多个单片生瓷片，多个单片生瓷片叠放一起并压合形成陶瓷生胚，然后烧结，获得基于陶瓷基板的超材料。由于生瓷带的切割比烧结后的陶瓷板的切割要容易许多，因此本发明是先将带有微结构的生瓷带切割或冲出所需形状、大小的单片生瓷片，后将这些单片生瓷片压合烧结，获得的超材料的形状无须打磨；也可以根据实际所需超材料的厚度叠加单片生瓷片后烧结，从而制备出较厚的基于陶瓷基板的超材料。

Description

一种基于陶瓷基板超材料及制备方法

【技术领域】

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种基于陶瓷基板超材料及制备方法。

【背景技术】

超材料是近十年来发展起来的对电磁波起调制作用的材料。超材料一般是由一定数量的金属微结构附在具有一定力学、电磁学的基板上，这些具有特定图案和材质的微结构会对经过其身的特定频段的电磁波产生调制作用。这种调制作用可使电磁波的方向、强度产生变化，甚至影响电磁波通过的时间，而多层陶瓷基超材料是借用了低温共烧陶瓷(LTCC)技术。LTCC技术是先进的金属-陶瓷复合低温共烧技术，在烧结致密多层陶瓷的同时，层间的金属金、银、铜等不会熔化保持原来的形状同时不会与陶瓷本身发生化学反应。使用LTCC技术，可制造出先进的一体叠层型表面贴装微波器件，如带通/低通/高通滤波器、双工器、天线、平衡-不平衡转换器。此类微型高集成器件是无线蓝牙、无线局域网通讯设备的核心元器件。利用LTCC工艺制造超材料，可创造一系列性能优异、更易设计实现电磁功能的一体器件。而目前利用LTCC工艺一般只能制备较薄、方形的元器件，而基于超材料的滤波器为圆柱状，因此目前的工艺还有待改进。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：利用LTCC工艺制备较厚、面积较大的超材料，且超材料的形状可以为圆柱形、方形或其他所需的形状。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于陶瓷基板超材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

将陶瓷粉末、溶剂和粘结剂混合均匀配制陶瓷浆料，将陶瓷浆料流延制成生瓷带，并烘干；

在所述生瓷带上制备金属微结构；

将带有金属微结构的生瓷带切割或冲出多个单片生瓷片；

将所述多个单片生瓷片叠放一起并压合形成陶瓷生胚；

将所述陶瓷生胚放入烧结炉中烧结，获得基于陶瓷基板的超材料。

进一步改进，所述超材料的厚度为5～10mm，面积为50～100cm²。

所述步骤还包括将配置完成的陶瓷浆料真空消泡2～6小时。

所述步骤还包括在单片生瓷片上设置对位孔。

所述粘结剂占所述陶瓷粉末的1％～10％(重量)。

进一步改进，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯乙烯或聚丙烯酸酯。

所述陶瓷粉末为BiNbO₄-xwt％CuO、BaTi₄O₉-ywt％BaCu(B₂O₅)或TeO₂-zwt％CaTiO₃，其中x＝0～2、y＝0.1～2、z＝0～20。

所述陶瓷浆料还包括分散剂和/或增塑剂，其中所述分散剂占所述陶瓷粉末的0％～10％(重量)，所述增塑剂占所述陶瓷粉末的0％～10％(重量)。

进一步改进，所述分散剂为聚丙烯酸、聚异丁烯、亚油酸、十八烯酸或柠檬酸。

进一步改进，所述增塑剂为邻苯二甲酸盐或二醇类。

在所述烧结炉中通入氧气或大气。

进一步改进，所述陶瓷生胚放入气氛烧结炉，通入氧气或大气烧结，以20～60℃/小时的速率升温至150℃～250℃，然后以80～110℃/小时的速率升温至400℃～600℃，并保温1～3小时，最后以3～6℃/分钟的速率升温至800℃～950℃，并保温1～3小时后随炉冷却。

所述多个单片生瓷片相邻之间有作为湿润粘合的水或乙醇。

所述单片生瓷片的形状为圆形、椭圆形或多边形。

一种超材料，由以上方法制备的超材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：由于生瓷带的切割比烧结后的陶瓷板的切割要容易许多，因此本发明是先将带有微结构的生瓷带切割或冲出所需形状、大小(面积可以为50～100cm²)的单片生瓷片，例如圆形，后将这些单片生瓷片压合烧结，获得基于陶瓷基板的圆柱形超材料，工艺简单无须打磨；也可以根据实际所需超材料的厚度叠加多片单片生瓷片后烧结，从而制备出较厚的基于陶瓷基板的超材料，如5～10mm，因此此工艺克服了传统工艺只能制备小且薄的方形陶瓷基板；利用本发明制备的大且厚的基于陶瓷基板的圆柱形超材料可以作为谐振子制备成大功率滤波器，解决了传统滤波器功率小不能应用在大功率器件上的问题。

【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。

一种基于陶瓷基板超材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：

将BiNbO₄-xwt％CuO、BaTi₄O₉-ywt％BaCu(B₂O₅)或TeO₂-zwt％CaTiO₃陶瓷粉末、溶剂和占陶瓷粉末的1wt％～10wt％的粘结剂混合均匀配制陶瓷浆料，并真空消泡2～6小时后将陶瓷浆料流延制成生瓷带，并烘干，其中BiNbO₄-xwt％CuO、BaTi₄O₉-ywt％BaCu(B₂O₅)和TeO₂-zwt％CaTiO₃都为低温共烧陶瓷粉末，也可以采用其他的低温共烧陶瓷粉末；

在所述生瓷带上制备金属微结构，可以采用蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等技术，金属微结构是由金属丝构成的具有一定几何形状的平面或者立体结构，如工字型、雪花型等；

将带有金属微结构的生瓷带切割或冲出多个圆形、多边形或椭圆形的单片生瓷片；

将多个单片生瓷片叠放一起并冷压压合或热压压合形成陶瓷生胚，其中相邻圆形单片生瓷片之间还覆有作为润滑剂的乙醇或水，当然溶解相应陶瓷粉末的溶剂也可以作为润滑剂；

将所述陶瓷生胚放入烧结炉中，通入氧气或大气烧结，具体为以20～60℃/小时的速率升温至150℃～250℃，然后以80～110℃/小时的速率升温至400℃～600℃，并保温1～3小时，最后以3～6℃/分钟的速率升温至800℃～950℃，并保温1～3小时后随炉冷却，获得基于陶瓷基板的超材料。

其中x＝0～2、y＝0.1～2、z＝0～20，粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯乙烯或聚丙烯酸酯。

当然在陶瓷浆料中还可以加入聚丙烯酸、聚异丁烯、亚油酸、十八烯酸或柠檬酸分散剂和/或邻苯二甲酸盐或二醇类增塑剂，其中所述分散剂占陶瓷粉末的0％～10％(重量)，增塑剂占所述陶瓷粉末的0％～10％(重量)。

为了方便单片生瓷片叠加对齐，也可以在每个单片生瓷片上设置对位孔。

由上述工艺制备获得的超材料，其厚度可以达到5～10mm，面积可以达到50～100cm²，因此该工艺适合制备超材料。

传统的直接将生瓷带压合成生胚后烧结制得陶瓷板，由于所制得的陶瓷板非常致密、机械性能也非常高，因此切割成所需的形状非常困难，一般最易切割成方形，但如果切割成圆柱形不仅困难还必须对其进行打磨，由于传统工艺制备的陶瓷板不易切割，所以制备的陶瓷板也不能太厚和太大；

但是生瓷带的切割比烧结后的陶瓷板的切割要容易许多，因此本发明是先将带有微结构的生瓷带切割或冲出所需形状、大小(面积可以为50～100cm²)的单片生瓷片，例如圆形，后将这些单片生瓷片压合烧结，获得基于陶瓷基板的圆柱形超材料，工艺简单无须打磨；也可以根据实际所需超材料的厚度叠加多片单片生瓷片后烧结，从而制备出较厚的基于陶瓷基板的超材料，如5～10mm，因此此工艺克服了传统工艺只能制备小且薄的方形陶瓷基板；利用本发明制备的大且厚的基于陶瓷基板的圆柱形超材料可以作为谐振子制备成大功率滤波器，解决了传统滤波器功率小不能应用在大功率器件上的问题。

实施例一

将BiNbO₄-1wt％CuO陶瓷粉末、溶剂和占BiNbO₄-1wt％CuO陶瓷粉末的1wt％聚乙烯醇混合均匀配制陶瓷浆料，并真空消泡3小时后将陶瓷浆料流延制成生瓷带，并烘干；

在所述生瓷带上蚀刻出金属微结构；

将带有金属微结构的生瓷带切割或冲出多个圆形单片生瓷片，其圆形单片生瓷片的面积为50cm²；

将所述多个圆形单片生瓷片叠放一起并压合形成厚度为5mm的陶瓷生胚，其中相邻圆形单片生瓷片之间还覆有作为润滑剂的乙醇；

将所述陶瓷生胚放入烧结炉中并通入氧气(或者大气)烧结，具体为以25℃/小时的速率升温至160℃，然后以90℃/小时的速率升温至450℃，并保温1.2小时，最后以3℃/分钟的速率升温至900℃，并保温1.5小时后随炉冷却，获得基于陶瓷基板的圆柱形超材料。

当然陶瓷粉末中CuO的重量占BiNbO₄重量的0％～2％的范围内都是适合的。

实施例二

实施例二相对于实施例一的不同点在于：向实施例一中的陶瓷浆料中加入占陶瓷粉末5％(重量)的分散剂，使陶瓷浆料中的陶瓷粉末充分分散，使配成的陶瓷浆料在几天内稳定、不分层，其中颗粒不团聚，其中分散剂为聚丙烯酸、聚异丁烯、亚油酸、十八烯酸或柠檬酸。

当然也可以在上述陶瓷浆料中加入邻苯二甲酸盐或二醇类增塑剂，增强陶瓷生瓷带的塑性。

实施例三

将BaTi₄O₉-0.8wt％BaCu(B₂O₅)陶瓷粉末、溶剂和占BaTi₄O₉-0.8wt％BaCu(B₂O₅)陶瓷粉末的5wt％聚乙烯醇缩丁醛混合均匀配制陶瓷浆料，并真空消泡4.5小时后将陶瓷浆料流延制成生瓷带，并烘干；

在所述生瓷带上蚀刻出金属微结构；

将带有金属微结构的生瓷带切割或冲出多个圆形单片生瓷片，其圆形单片生瓷片的面积为60cm²；

将所述多个圆形单片生瓷片叠放一起并压合形成厚度为7mm的陶瓷生胚，其中相邻圆形单片生瓷片之间还覆有作为润滑剂的水；

将所述陶瓷生胚放入烧结炉中并通入氧气(或大气)烧结，具体为以30℃/小时的速率升温至200℃，然后以100℃/小时的速率升温至500℃，并保温1.5小时，最后以4℃/分钟的速率升温至950℃，并保温1小时后随炉冷却，获得基于陶瓷基板的圆柱形超材料。

当然陶瓷粉末中BaCu(B₂O₅)的重量占BaTi₄O₉重量的0.1％～2％的范围内都是适合的。其中陶瓷浆料中也可以加入分散剂和/或增塑剂。

实施例四

将TeO₂-10wt％CaTiO₃陶瓷粉末、溶剂和占TeO₂-10wt％CaTiO₃陶瓷粉末的8wt％聚氯乙烯混合均匀配制陶瓷浆料，并真空消泡5小时后将陶瓷浆料流延制成生瓷带，并烘干；

在所述生瓷带上蚀刻出金属微结构；

将带有金属微结构的生瓷带切割或冲出多个圆形单片生瓷片，其圆形单片生瓷片的面积为80cm²；

将所述多个圆形单片生瓷片叠放一起并压合形成厚度为8mm的陶瓷生胚，其中相邻圆形单片生瓷片之间还覆有作为润滑剂的水；

将所述陶瓷生胚放入烧结炉中并通入氧气(或大气)烧结，具体为以50℃/小时的速率升温至240℃，然后以105℃/小时的速率升温至600℃，并保温2.5小时，最后以5℃/分钟的速率升温至1000℃，并保温2.8小时后随炉冷却，获得基于陶瓷基板的圆柱形超材料。

当然陶瓷粉末中CaTiO₃的重量占TeO₂重量的0％～20％的范围内都是适合的。其中陶瓷浆料中也可以加入分散剂和/或增塑剂。

实施例五

实施例五相对于以上所有实施例的不同点在于：为了方便单片生瓷片叠加对齐，在每个单片生瓷片上都设置有对位孔。

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

1.一种基于陶瓷基板超材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

在所述生瓷带上制备金属微结构；

将带有金属微结构的生瓷带切割或冲出多个单片生瓷片；

将所述多个单片生瓷片叠放一起并压合形成陶瓷生胚；

2.根据权利要求1所述的基于陶瓷基板超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤还包括将配置完成的陶瓷浆料真空消泡2～6小时。

3.根据权利要求1所述的基于陶瓷基板超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤还包括在单片生瓷片上设置对位孔。

4.根据权利要求1所述的基于陶瓷基板超材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂占所述陶瓷粉末的1％～10％(重量)。

5.根据权利要求1所述的基于陶瓷基板超材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉末为BiNbO₄-xwt％CuO、BaTi₄O₉-ywt％BaCu(B₂O₅)或TeO₂-zwt％CaTiO₃，其中x＝0～2、y＝0.1～2、z＝0～20。

6.根据权利要求1所述的基于陶瓷基板超材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷浆料还包括分散剂和/或增塑剂，其中所述分散剂占所述陶瓷粉末的0％～10％(重量)，所述增塑剂占所述陶瓷粉末的0％～10％(重量)。

7.根据权利要求1所述的基于陶瓷基板超材料的制备方法，其特征在于，在所述烧结炉中通入氧气或大气。

8.根据权利要求1所述的基于陶瓷基板超超材料的制备方法，其特征在于，所述多个单片生瓷片相邻之间有作为湿润粘合的水或乙醇。

9.根据权利要求1所述的基于陶瓷基板超材料的制备方法，其特征在于，所述单片生瓷片的形状为圆形、椭圆形或多边形。

10.一种超材料，其特征在于，包括权利要求1～9任一一项所述的方法制备的超材料。