CN109574663B - 一种Ni-Ti-Ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子陶瓷及其制造领域，具体涉及一种Ni‑Ti‑Ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法，材料结构为Trirutile相。本发明提供的材料，烧结温度适中(1150‑1250℃)，介电常数适中(39‑41)，损耗低至4.43×10‑4，晶体结构为Co0.5Ti0.5TaO4。将原料Ni2O3，TiO2和Ta2O5按化学通式Ni0.5Ti0.5TaO4配比，再通过固相法制得。本发明提供的Ni0.5Ti0.5TaO4微波介质陶瓷具有较低的烧结温度，适中的介电常数以及较低的介质损耗，且其制备方法简单，易于工业化生产。

Description

一种Ni-Ti-Ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电子陶瓷及其制造领域，具体涉及一种Ni-Ti-Ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法，材料结构为Trirutile相。
背景技术
随着电子通信的高速发展，微波通信(主要是UHF、SHF频段，300MHz～300GHz)在现代通信传输领域的重要性逐渐显著，在移动、广播电视、卫星通信以及军用雷达等领域取得了广泛的发展。因此对微波设备诸如谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件的需求也日益增加。由于金属谐振腔和金属波导体积和重量过大限制了微波集成电路的发展，而微波介质陶瓷制作的谐振器与微波管、微带线等构成的微波混合集成电路，可使器件尺寸达到毫米量级，这就使微波陶瓷成为实现微波控制功能的基础和关键材料。微波介质陶瓷应具有适中的介电常数，高的品质因数Q×f值和低的损耗。
在前期工作报道中，研究学者报道NiTa2O6陶瓷在1600℃下烧结具有如下微波介电性能：εr＝25、Q×f＝31000GHz、τf＝35ppm/℃。该陶瓷烧结致密化温度高，对能源消耗较大，限制了其在电子元器件的应用。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有Trirutile相微波介质陶瓷烧结温度以及参数性能不佳的问题，本发明提供了一种Ni-Ti-Ta基微波介质陶瓷材料及其制备方法，其材料结构为Trirutile相。
本发明提供的Ni-Ti-Ta基微波介质陶瓷材料，为Ni0.5Ti0.5TaO4微波介质陶瓷材料，具有Trirutile相晶体结构，预烧温度900℃-1100℃，烧结温度适中(1150-1250℃)，介电常数适中(39-41)，损耗低至4.43×10-4。
其原料组成为Ni2O3、TiO2、Ta2O5，化学通式为Ni0.5Ti0.5TaO4，通过固相法制得。
其制备方法具体如下：
步骤1：将氧化镍(Ni2O3)、二氧化钛(TiO2)和氧化钽(Ta2O5)的原始粉末按照化学通式Ni0.5Ti0.5TaO4配料。
步骤2：将步骤1所得配料：氧化锆球：去离子水，以质量比1:4-6:3-6配比，行星球磨6-8小时，然后在80℃-120℃下烘干，再以60-200目筛网过筛，最后在900℃-1100℃大气氛围中预烧3-5小时合成主晶相Ni0.5Ti0.5TaO4。
步骤3：将步骤2所得粉料按照粉料：氧化锆球：去离子水质量比1:3-5:2-4，行星球磨混合4-6小时，然后在80℃-100℃下烘干，烘干后添加质量百分比为2～5％的PVA溶液作为粘结剂造粒，然后压制成型，最后在1150℃-1250℃大气气氛中烧结4-6小时，制成Ni0.5Ti0.5TaO4微波介质陶瓷材料。
本发明对NiTa2O6从原料上引入TiO2，考虑Ti4+离子与Ni2+及Ta5+离子具有相近的离子半径，从而使得晶体结构上，Ti4+离子能够进入格点位置，形成固溶体。利用该固溶体的形成温度较低(预烧温度为900℃即可形成晶相结构)，并且由于Ti4+离子的引入，改变了该固溶体系的摩尔体积与离子极化率，结合克劳修斯-莫索蒂方程，最终制备的材料的介电常数高于NiTa2O6陶瓷，且烧结温度为1150-1250℃远低于NiTa2O6的1600℃。
附图说明
图1为实施例1-5的XRD图；
图2a-e依次对应为实施例1-5的表面形貌SEM图，图2f为实施例2的A、B点位SEM图，图2g为实施例4中的区域Region的SEM图，图2h为实施例2A点的X射线能谱(EDS)，图2i为实施例4中区域Region的X射线能谱(EDS)，图2i为A、B点以及区域Region中的元素含量分布情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
步骤1、将Ni2O3、TiO2和Ta2O5的原始粉末按照化学通式Ni0.5Ti0.5TaO4配料。
步骤2、将步骤1所得粉料，按照粉料：氧化锆球：去离子水的质量比1:4:3加入尼龙罐中，行星球磨混合6小时，取出后在100℃下烘干，以200目筛网过筛，后在1000℃大气氛围中预烧4小时合成主晶相Ni0.5Ti0.5TaO4。
步骤3、将步骤2预烧后所得的粉料按照粉料：氧化锆球：去离子水的质量比1:5:1加入尼龙罐中，行星球磨混合4小时，取出后在100℃下烘干，烘干后添加质量百分比4％的PVA溶液作为粘结剂造粒，然后压制成型，最后在1150-1250℃大气气氛中烧结6小时，制成微波介质陶瓷材料。
图1为实施例1-5依次为所取烧结温度(1150、1175、1200、1225、1250)的XRD图，其中Si峰作为内标法校准实验及仪器误差。在不同的烧结温度下，样品的衍射峰与Trirutile相NiTa2O6卡片(JCPDS#32-0702)匹配，说明此时形成了Trirutile相固溶体Ni0.5Ti0.5TaO4，但检测到少量的正交相存在(含量不超过1％)。实际衍射峰峰位存在右移现象。依据布拉格衍射定律，峰位右移是由于晶胞体积变小导致。相较NiTaa2O6而言，Ni0.5Ti0.5TaO4相中Ti4+离子在相同配位数下离子半径小于Ni2+及Ta5+离子，因此晶胞体积将会降低，故衍射峰右移。
图2a-e依次为实施例1-5的表面形貌SEM图。图2f和g依次为实施例2和4的X射线能谱(EDS)分析。从图a-e可以看出，随着烧结温度的升高，样品气孔减少，致密度提高，晶粒尺寸从1.78增加至11.95μm。从图中看出，随着烧结温度的升高，出现大小尺寸不一致的晶粒，因此对图b中的晶粒尺寸进行了EDS分析，结果显示在图f、h及i中，从结果显示，A、B两处的Ni:Ti:Ta的原子比例接近于理想化学式Ni0.5Ti0.5TaO4的化学计量比1:1:2，说明已经成功形成了Trirutile固溶体Ni0.5Ti0.5TaO4结构。同时也可以看出，随着烧结温度的增加，出现类似液相包裹晶粒，以及颗粒聚集在晶粒表面。由于颗粒尺寸过于细小，无法进行EDS分析，因此对于图d中的这两种晶粒，我们选定区域Region进行了EDS分析，如图g所示。同样地，结果显示在图g、h及i中。通过分析发现该区域富集Ni与Ta元素，Ti元素含量较低，因此推测该种状态的晶粒为正交相的聚集。
实施例的成分和微波介电性能如下
Figure BDA0001905552820000031
Figure BDA0001905552820000032
从上表可以看出，随着烧结温度的升高，样品的介电常数呈现出先增加后减小的趋势，结合SEM图可以得知，介电常数的提高时由于致密度的增加，而随后样品过烧导致晶粒的二次再增长，使介电常数降低。样品的品质因数Q×f值随着烧结温度的提高而逐渐增加，结合SEM图可以推知，晶粒尺寸的增加，使得晶界数目减少，因此提高了Q×f值，然而晶粒异常生长本应对Q×f值起到不利影响，而从上表中看出Q×f值持续增加，因此正交相的出现，也对Q×f值起到了一定的促进作用。
综上可见，本发明提供的Ni-Ti-Ta基介质陶瓷材料，具有适中的烧结温度，适中的介电常数以及较低的介质损耗，性能参数佳；且其制备方法简单，易于工业化生产。

Claims (2)

1.一种Ni-Ti-Ta基微波介质陶瓷材料，其特征在于：
为Ni0.5Ti0.5TaO4微波介质陶瓷材料，晶体结构为Trirutile相，预烧温度900℃-1100℃，预烧后合成主晶相Ni0.5Ti0.5TaO4，烧结温度1150-1250℃，介电常数39-41，损耗低至4.43×10-4；
其原料组成为Ni2O3、TiO2和Ta2O5，化学通式为Ni0.5Ti0.5TaO4，通过固相法制得。
2.如权利要求1所述Ni-Ti-Ta基微波介质陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：将氧化镍Ni2O3、二氧化钛TiO2和氧化钽Ta2O5的原始粉末按照化学通式Ni0.5Ti0.5TaO4配料；
步骤2：将步骤1所得配料：氧化锆球：去离子水，以质量比1:4-6:3-6配比，行星球磨6-8小时，然后在80℃-120℃下烘干，再以60-200目筛网过筛，最后在900℃-1100℃大气氛围中预烧3-5小时合成主晶相Ni0.5Ti0.5TaO4；
步骤3：将步骤2所得粉料按照粉料：氧化锆球：去离子水质量比1:3-5:2-4，行星球磨混合4-6小时，然后在80℃-100℃下烘干，烘干后添加质量百分比为2～5％的PVA溶液作为粘结剂造粒，然后压制成型，最后在1150℃-1250℃大气气氛中烧结4-6小时，制成Ni0.5Ti0.5TaO4微波介质陶瓷材料。
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