CN104973860B - 一种低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：(1)以Li₂CO₃、MnCO₃、聚磷酸铵为原料，按LiMnPO₄分子式配料通过球磨混合，烘干后在600～700℃的空气气氛中预烧3～4小时，得到预烧后的粉料；(2)将预烧后的粉料，添加粘结剂并造粒后，通过单轴加压制成生坯，最后在725～775℃的空气气氛中烧结2～3小时，制得低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷。本发明还公开了上述制备方法得到的磷酸锰锂微波介电陶瓷材料。本发明制备工艺简单，所用原料清洁绿色、不含稀土元素，价格低廉环境友好；制备得到的磷酸锰锂微波介电陶瓷材料介电常数低、损耗低、品质因数高。

Description

一种低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料及制备方法

技术领域

本发明涉及LTCC介电陶瓷材料，特别涉及一种低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料及制备方法。

背景技术

近年来，微波通讯技术得到了迅速的发展，频率高端化、小型化、集成化、高品质化和低成本化已经成为了微波器件发展的必然趋势。其中，介电隔离、远距离电磁波传输和毫米波、亚毫米波回路集成化的介质波导线路则对介电陶瓷提出了介电常数较低且可系列化、品质因数高以获得优良的选频特性、谐振频率温度系数低等要求。

同时为了进一步满足微波通讯系统对器件提出的小型化、模块低成本化、高集成度、高可靠性和高性能的需求，可使用一种基于低温共烧陶瓷技术的片式多层微波器件来有效地减小微波元器件的体积。然而，要实现微波器件的低温共烧应用和片式化，就需要微波介质材料能与高电导率的电极Pt、Pd、Au、Ag、Cu等共烧且烧结收缩互相匹配，从经济低成本的角度考虑，最好能与熔点较低并且具备高热传导系数，低热膨胀系数的Ag、Cu等作为电极材料最为理想。因此一般要求微波介质陶瓷的烧结温度较低，而且不能和电极材料发生反应。然而目前使用的低介电常数微波介质陶瓷材料的烧结温度普遍偏高，不能满足要求。因此，能够低温烧结且与电极材料化学兼容性好的微波介质陶瓷将是今后发展的重要方向。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的制备方法，制备工艺简单，所用原料清洁绿色、不含稀土元素，价格低廉环境友好；制备得到的磷酸锰锂微波介电陶瓷材料介电常数低、损耗低、品质因数高。

本发明的另一目的在于提供上述低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的制备方法制备得到的磷酸锰锂微波介电陶瓷材料。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以Li₂CO₃、MnCO₃、聚磷酸铵为原料，按LiMnPO₄分子式配料通过球磨混合，烘干后在600～700℃的空气气氛中预烧3～4小时，得到预烧后的粉料；

(2)将预烧后的粉料进行二次球磨，烘干后添加粘结剂并造粒后，通过单轴加压制成生坯，最后在725～775℃的空气气氛中烧结2～3小时，制得低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷。

步骤(1)所述的原料为纯度为99％以上的原料。

步骤(1)所述通过球磨混合，具体为：

采用行星球磨仪进行湿式球磨，球磨时间为30～120分钟。

步骤(2)所述二次球磨，具体为：

采用行星球磨仪进行湿式球磨，球磨时间为30～120分钟。

所述添加粘结剂，具体为：

添加质量为预烧后的粉料的5～10％的粘结剂；所述粘结剂为质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液。

所述磷酸锰锂微波介电陶瓷材料为LiMnPO₄，为单相正交橄榄石晶体结构，空间群为Pmnb。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明制备的磷酸锰锂微波介电陶瓷材料具有较低的固有烧结温度(<750℃)，且与银电极材料的化学兼容性好，不发生反应。

(2)本发明使用聚磷酸铵替代常用磷源的(NH₄)₂HPO₄材料进行合成，可避免因使用(NH₄)₂HPO₄造成预烧过程中的结块现象，从而免除了繁琐的磨碎过程和二次预烧过程，经济节能环保。

(3)本发明的制备的磷酸锰锂微波介电陶瓷，介电常数为7～8，具备较高的品质因数(Qf>43,000GHz)。

(4)本发明提供的低介电陶瓷，使用清洁无污染的常见元素，不含昂贵的稀土元素，原材料价格低廉，可广泛用于毫米波通讯系统。

附图说明

图1为本发明的实施例制备的低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的XRD图。

图2为本发明的实施例的低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料和AgNO₃混合并进行热处理后的XRD图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

将分析纯Li₂CO₃、MnCO₃、聚磷酸铵按LiMnPO₄分子式配料混合，行星球磨30～120分钟(溶剂为酒精，转速为300转/分钟)，烘干后在600～700℃的空气气氛中预烧3～4小时。其中，行星球磨是在球磨罐中球磨，其中球磨罐材质为聚四氟乙烯，球磨介质为1mm二氧化锆小球，溶剂为酒精，其中球∶粉∶酒精＝1:1:1.1。

将预烧后的粉料进行30～120分钟的二次行星球磨(溶剂为酒精，其中球∶粉∶酒精＝1:1:1.1，转速为300转/分钟)。将烘干过筛后的粉料，添加粘结剂并造粒后。通过单轴加压制成直径约10mm，厚度约5mm的圆柱状生坯，最后在725～775℃的空气气氛中烧结2～3小时以制得所需的低介电常数微波介电陶瓷，上述的粘结剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液，使用剂量占粉末总质量的10％。烧结后的陶瓷为正交橄榄石相，空间群为Pmnb，在750℃烧结的样品的XRD图如图1所示。

将预烧后的粉料和AgNO3按1:1的摩尔比混合研磨，在750℃的空气气氛中热处理3小时，处理后的粉末为正交橄榄石与银的混合相，如图2所示。由图2可知，XRD图谱表明，在750℃下陶瓷与银不发生反应，具有良好的化学兼容性，满足微波通讯系统对器件的要求。

本实施例所获得的微波电介质陶瓷，用网络分析仪E8363B进行性能测试，方法为圆柱介质谐振腔法，获得的微波介电性能如表1。

本发明的微波介质陶瓷体系介电常数低、损耗低、品质因数高。本发明所用原料清洁绿色、不含稀土元素，价格低廉环境友好。可以与银电极低温共烧，化学兼容性好。可广泛应用于毫米波通讯系统中的介质谐振器、滤波器、震荡器、介质波导、微波陶瓷基板等微波元器件中。

表1

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以Li₂CO₃、MnCO₃、聚磷酸铵为原料，按LiMnPO₄分子式配料通过球磨混合，烘干后在600～700℃的空气气氛中预烧3～4小时，得到预烧后的粉料；

(2)将预烧后的粉料进行二次球磨，烘干后添加粘结剂并造粒后，通过单轴加压制成生坯，最后在725～775℃的空气气氛中烧结2～3小时，制得低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷。

2.根据权利要求1所述的低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的原料为纯度为99％以上的原料。

3.根据权利要求1所述的低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述通过球磨混合，具体为：

采用行星球磨仪进行湿式球磨，球磨时间为30～120分钟。

4.根据权利要求1所述的低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述二次球磨，具体为：

采用行星球磨仪进行湿式球磨，球磨时间为30～120分钟。

5.根据权利要求1所述的低温烧结磷酸锰锂微波介电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述添加粘结剂，具体为：

添加质量为预烧后的粉料的5～10％的粘结剂；所述粘结剂为质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液。