CN105060888A - 一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷，其组成为NdNbO₄-xAl₂O₃(1％≤x≤4％)；先将Nd₂O₃、Nb₂O₅原料按化学式配料，再球磨、烘干、过筛，再于900～1000℃预烧4小时；称取质量分数为1％-4％的Al₂O₃与预烧后的粉料混合，再次球磨、烘干、过筛，造粒后压制成型为坯体，坯体于1100～1175℃烧结，制得铌酸钕陶瓷。本发明由于采用了Al₂O₃作为掺杂剂制备NdNbO₄陶瓷，提高了微波介电性能，烧结温度为1150℃，其介电常数为18.10，谐振频率温度系数为-6.51ppm/℃，而品质因数大幅度提高为54700GHz。本发明制备工艺简单，过程环保，是一种具有前途的微波介质材料。

Description

一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷

技术领域

本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种氧化铝掺杂以制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷及其制备方法。

背景技术

微波介质材料属于典型的应用型高技术材料，其高速的发展依赖于当今微波技术发展的趋势和需求，如低介电常数超低损耗型微波介质陶瓷的研发和应用促进了微波电路的集成化；中介电常数微波介质陶瓷新体系的开发有力的推动了当今移动通信基站的小型化；而具有高介电常数的新型微波介质陶瓷的研究开发对现在通信设备小型化的发展具有重要的意义。为了满足当今移动通信设备的数字化需求与其他通信设备的一体化的需求，对于具有高性能微波介质陶瓷新体系产生了越来越大的需求。

稀土铌酸盐(LnNbO₄)是一系列结构、相变特性和物理性质类似的微波介质材料，其中的Ln包括La至Lu的全部稀土元素。铌酸盐材料是重要的电子材料，具有优良的光电性能和非线性光学性能、良好的光学效应和电学性能以及变晶相界等独特性质，是一种很有研究和应用价值的多功能材料，其目前主要用于制造电容器和光电子器件。当Ln被Nd替代时即为铌酸钕(NdNbO₄)陶瓷。基于其他研究人员的研究，铌酸钕陶瓷属于类钙钛矿白钨矿结构，具有适当的介电常数ε_r(19.6)，近零的谐振频率温度系数τ_f(-24ppm/℃)，品质因数Q×f(33000GHz)，且烧结温度为1275℃。其较低的品质不能很好的满足微波器件的应用要求。

因此，微波介电性能制约着铌酸钕陶瓷的应用。但目前对其制备方法和改性的研究的报道较少。本发明采用传统固相法，以氧化铝为掺杂剂，在较低的烧结温度下，保证其介电常数度基本保持不变的基础上，大幅度的提高了铌酸钕陶瓷的品质因数并同时改善了其谐振频率温度系数。

发明内容

本发明的目的，是为进一步提高铌酸钕陶瓷的微波介电性能，提供一种以Nd₂O₃、Nb₂O₅为主要原料，并以掺杂适量的氧化铝，以制备出高品质因数Q×f和近零温度系数的铌酸钕微波介质陶瓷。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷，其组成为NdNbO₄-xAl₂O₃，1％≤x≤4％；

上述低损耗稳定铌酸钕陶瓷的制备方法，具有以下步骤：

(1)将Nd₂O₃、Nb₂O₅原料，按化学式NdNbO₄进行配料；按原料：去离子水：磨球＝1:16:15的比例加入聚酯罐中，球磨6～12小时；

(2)将步骤⑴球磨后的原料置于干燥箱中于80～130℃烘干，过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

(3)将步骤⑵颗粒均匀的粉料在900～1000℃预烧4小时；

(4)在步骤⑶煅烧后的粉料放入聚酯罐中，外加质量分数为x＝1％-4％的氧化铝与预烧后的粉料混合，然后加入去离子水和氧化锆球，球磨6-8小时；烘干后在粉料中外加重量百分比含量为6～8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，再用粉末压片机成型为坯体，再将坯体于1100～1175℃烧结，保温2～5小时，制得铌酸钕微波介质陶瓷；

(5)测试制得的铌酸钕微波介质陶瓷的微波介电性能。

所述步骤(1)的Nd₂O₃、Nb₂O₅原料的纯度大于99.9％。

所述步骤(3)预烧温度为900℃。

所述步骤(4)的x＝3％。

所述步骤(4)的烧结温度为1150℃，保温4小时。

所述步骤(4)的压片机的工作压强为7MPa，坯体规格为Φ10mm×5mm的圆柱体。

本发明由于采用了氧化铝作为掺杂剂，由于Al₂O₃的添加促进了铌酸钕陶瓷晶粒的生长，因此品质因数得到了较大的提升且烧结温度同时有所下降。当烧结温度为1100℃、保温时间4h、一次球磨、二次球磨时间均为6h、Al₂O₃的质量百分比含量为3％时，所制备的NdNbO₄陶瓷的介电常数为18.10，谐振频率温度系数达到-6.51ppm/℃，品质因数最大值达到54700GHz。此外，该制备工艺简单，过程环保，制备简单，是一种有前途的微波介质材料。

具体实施方式

本发明采用纯度大于99.9％的化学原料Nd₂O₃、Nb₂O₅、Al₂O₃制备高品质因数和稳定的NdNbO₄微波介质陶瓷。

本发明将Nd₂O₃、Nb₂O₅原料按化学式NdNbO₄进行配料，用料:去离子水:磨球＝1:16:15的比例加入聚酯罐中，球磨6～12小时；将球磨后的原料置于红外干燥箱中于80～130℃烘干，过40目筛，再于900～1000℃预烧4小时；再将预烧后的陶瓷粉料放入球磨罐中，称取质量百分比为1％-4％的Al₂O₃加入预烧后的粉料中，然后加入氧化锆球和去离子水球磨6～12小时，烘干；再在烘干后的陶瓷粉料中外加重量百分比含量为6～8％的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛，用粉末压片机于7MPa的压力下将粉料压成直径为10mm、厚度为5mm的生坯；将生坯于1100～1175℃烧结，保温2～5小时，制得微波介质陶瓷；最后通过网络分析仪测试制品的微波介电性能。

本发明具体实施例如下。

实施例1

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为1％的Al₂O₃-0.2000g与预烧后的粉料混合，二次球磨6小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1150℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例2

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为2％的Al₂O₃-0.4000g与预烧后的粉料混合，二次球磨6小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1150℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例3

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为3％的Al₂O₃-0.6000g与预烧后的粉料混合，二次球磨6小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1150℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例4

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为4％的Al₂O₃-0.8000g与预烧后的粉料混合，二次球磨6小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1150℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例5

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为3％的Al₂O₃-0.6000g与预烧后的粉料混合，二次球磨6小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1100℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例6

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为3％的Al₂O₃-0.6000g与预烧后的粉料混合，二次球磨6小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1125℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例7

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为3％的Al₂O₃-0.6000g与预烧后的粉料混合，二次球磨6小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1175℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例8

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于1000℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为3％的Al₂O₃-0.6000g与预烧后的粉料混合，二次球磨6小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1150℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例9

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨8小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为3％的Al₂O₃-0.6000g与预烧后的粉料混合，二次球磨6小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1150℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例10

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为3％的Al₂O₃-0.6000g与预烧后的粉料混合，二次球磨8小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1150℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

实施例11

1.依照微波介质陶瓷组分NdNbO₄，称Nd₂O₃-11.1733g、Nb₂O₅-8.8267g配料，共20g；混合粉料加入聚酯罐中，加入160ml去离子水和150g锆球后，在行星式球磨机上球磨8小时，球磨机转速为1000转/分；

2.将球磨后的原料置于干燥箱中，于120℃烘干并过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

3.将粉料于900℃预烧4小时；

4.将预烧后的粉料放入聚酯罐中，再称取质量分数为3％的Al₂O₃-0.6000g与预烧后的粉料混合，二次球磨8小时，出料后烘干，过40目筛；然后加入重量百分比为6％的石蜡作为粘合剂进行造粒，并过80目筛；再用粉末压片机以7MPa的压力压成直径为10mm，厚度为5mm的坯体；

5.将坯体于1150℃烧结，保温4小时，制得微波介质铌酸钕陶瓷；

最后，通过网络分析仪测试所得制品的微波介电性能。

本发明具体实施例的各项关键参数及其介电性能检测结果详见表1。

表1

本发明具体实施例的检测方法如下:

1.样品的直径和厚度使用千分尺进行测量。

2.借助Agilent8720ES网络分析仪，采用开始抢平行板法测量所制备圆柱形陶瓷材料的节电常数，将测试夹具放入ESPECMC-710F型高低温循环温箱进行谐振频率温度系数的测量，温度范围为25-85℃测试频率在10-13GHz范围内。

3.采用闭式腔法测量所制备圆柱形陶瓷样品的品质因数，测试频率在7-10GHz范围内。

本发明不局限于上述实施例，很多细节的变化是可能的，但这并不因此违背本发明的范围和精神。

Claims (6)

1.一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷，其组成为NdNbO₄-xAl₂O₃，1％≤x≤4％。

上述低损耗稳定铌酸钕陶瓷的制备方法，具有以下步骤：

(1)将Nd₂O₃、Nb₂O₅原料，按化学式NdNbO₄进行配料；按原料：去离子水：磨球＝1:16:15的比例加入聚酯罐中，球磨6～12小时；

(2)将步骤⑴球磨后的原料置于干燥箱中于80～130℃烘干，过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；

(3)将步骤⑵颗粒均匀的粉料在900～1000℃预烧4小时；

(4)在步骤⑶煅烧后的粉料放入聚酯罐中，外加质量分数为x＝1％-4％的氧化铝与预烧后的粉料混合，然后加入去离子水和氧化锆球，球磨6-8小时；烘干后在粉料中外加重量百分比含量为6～8％的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，再用粉末压片机成型为坯体，再将坯体于1100～1175℃烧结，保温2～5小时，制得铌酸钕微波介质陶瓷；

(5)测试制得的铌酸钕微波介质陶瓷的微波介电性能。

2.根据权利要求1的一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷，其特征在于，所述步骤(1)的Nd₂O₃、Nb₂O₅原料的纯度大于99.9％。

3.根据权利要求1的一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷，其特征在于，所述步骤(3)预烧温度为900℃。

4.根据权利要求1的一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷，其特征在于，所述步骤(4)的x＝3％。

5.根据权利要求1的一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷，其特征在于，所述步骤(4)的烧结温度为1150℃，保温4小时。

6.根据权利要求1的一种氧化铝掺杂制备低损耗稳定铌酸钕陶瓷，其特征在于，所述步骤(4)的压片机的工作压强为7MPa，坯体规格为Φ10mm×5mm的圆柱体。