CN115710125B

CN115710125B - 颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用

Info

Publication number: CN115710125B
Application number: CN202211453726.1A
Authority: CN
Inventors: 汪胜祥; 杜康; 刘哲宇; 周梦蝶; 温泰来; 朱维; 张博涵; 周偲; 王婷婷
Original assignee: Wuhan Textile University
Current assignee: Wuhan Textile University
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2042-11-21
Also published as: CN115710125A

Abstract

本发明提供了一种颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，采用化学通式为xBaO‑yRE₂O₃‑zSiO₂的化合物制备陶瓷材料，制得的陶瓷材料的介电常数ε _r为8.29~13.88，品质因数Q×f为6170~70019GHz，低介电常数的特性提高了电信号在微波介质陶瓷材料中传输的速率，微波介质陶瓷的高Q值可减少系统工作的损耗并改善系统的稳定性。另外，采用上述化合物制得的低介微波介质陶瓷材料能够呈现出丰富的颜色，进一步拓展了陶瓷材料在其他领域的应用。通过上述方式，提供了一种制备过程简单、绿色、且适用于工业化生产的低介微波介质陶瓷材料的制备方法。

Description

颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用

技术领域

本发明涉及微波介质陶瓷技术领域，尤其涉及一种颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用。

背景技术

微波介质陶瓷是指应用于微波频段(300MHz~3000GHz)电路中作为介质的陶瓷材料。随着通信设备运行频率的不断提高，信号延迟现象越来越明显，系统损耗和发热量也随之增大，系统稳定性逐渐变差。而低介电常数能减小材料与电极之间的交互耦合损耗，并且能提高电信号的传输速率，优异的品质因数能减小系统损耗且会提高材料的选频特性。随着5G时代的到来，5G通讯的发展对电子元器件用微波介质陶瓷提出了更苛刻的要求。特别是即将到来的毫米波和太赫兹通讯，对低介电常数且品质因数较高的微波介质陶瓷有了更大的需求。

随着通讯频率到了高频毫米波和太赫兹，基板和电子元器件材料主要为介质陶瓷材料。共烧陶瓷技术是一种新型的多层基板工艺技术，共烧技术可以实现三大基础元器件以及其他各种无源器件封装于多层布线基板中。生瓷带在烧结之前要经历一系列的冲孔、填孔、印刷等程序，相应的图像识别和自动抓取等配套技术在共烧陶瓷生产中至关重要。普通略微透明或者白色的介质陶瓷材料在生产中面临图像识别和抓取困难等问题，而目前，大多数的低介微波介质陶瓷均展现出白色甚至略微透光的特性。因此，研发出拥有自主知识产权的颜色可调微波介质陶瓷新材料对微波介质陶瓷和微波元器件的发展有重要意义。

有鉴于此，有必要设计一种改进的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种颜色可调的低介微波介质陶瓷材料，所述低介微波介质陶瓷材料由化学式为xBaO-yRE₂O₃-zSiO2的化合物制得，其中，RE为La系元素，0<x≤2.0，0<y≤4.0，0<z≤5.0，且所述化合物的主晶相的化学表达式为Ba₂RE₂Si₄O₁₃或BaRE₂Si₃O₁₀。

特别地，本发明还提供了所述颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，包括如下步骤：

S1、称取BaCO₃、RE₂O₃及SiO₂的原料粉末并按照化学式为xBaO-yRE₂O₃-zSiO₂的化学计量比进行配料，混合均匀后进行第一次湿法球磨处理，再经烘干和预烧，制得预烧陶瓷粉体；

S2、将步骤S1中制得的所述预烧陶瓷粉体进行第二次湿法球磨处理后，烘干并加入粘合剂造粒，再经压片和烧结处理，制得所述低介微波介质陶瓷材料。

优选的，所述低介微波介质陶瓷材料的介电常数ε _r为8.29~13.88，品质因数Q×f为6170~70019GHz。

优选的，在步骤S2中，所述烧结处理的温度1300~1400ºC，烧结时间为5~12h。

优选的，在步骤S1中，所述预烧的温度为1100~1200ºC，预烧时间为5~12h。

优选的，在步骤S1中，所述第一次湿法球磨处理的分散剂为200wt%的去离子水。

优选的，在步骤S2中，所述粘合剂为PVA或石蜡，所述粘合剂的加入量与烘干后的陶瓷粉体的质量比为5~10%；优选的，所述PVA的质量百分数为6~10%。

优选的，在步骤S2中，所述第二次湿法球磨处理的分散剂为200wt%的去离子水。

优选的，在步骤S2中，所述第二次湿法球磨处理采用的球磨介质为锆球，球磨工艺为以360r/min的速度球磨5~12h。

优选的，在步骤S2中，所述第一次湿法球磨处理采用的球磨介质为锆球，球磨工艺为以360r/min的速度球磨5~12h。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料，采用化学通式为xBaO-yRE₂O₃-zSiO₂的化合物制得，其介电常数ε _r为8.29~13.88，品质因数Q×f为6170~70019GHz，低介电常数的特性提高了电信号在微波介质陶瓷材料中传输的速率，微波介质陶瓷的高Q值可减少系统工作的损耗并改善系统的稳定性。另外，采用上述化合物制得的低介微波介质陶瓷材料能够呈现出丰富的颜色，进一步拓展了陶瓷材料在其他领域的应用。应用本发明提供的方法制得的低介微波介质陶瓷材料以单相形式存在，具有主晶相稳定、不含易变价元素、烧结温度较低的特性，是一种极具应用前景的新型低介微波介质陶瓷材料。

2、本发明提供的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，可通过调整原料RE₂O₃的种类和含量来对制得的低介微波介质陶瓷材料介电常数和品质因数进行优化，上述制备方法不仅可向陶瓷材料中引入单一的La系元素，还可以根据需要引入多种La系元素，从而赋予陶瓷材料优异的性能，使其更适于应用。通过上述方式，提供了一种制备过程简单、绿色、且适用于工业化生产的低介微波介质陶瓷材料的制备方法。

附图说明

图1为本发明的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备流程示意图；

图2为本发明的部分实施例制得的低介微波介质陶瓷材料的XRD图；

图3为本发明的部分实施例制得的低介微波介质陶瓷材料的SEM图；

图4为本发明的实施例1制得的低介微波介质陶瓷材料的晶体结构图；

图5为本发明的实施例4制得的低介微波介质陶瓷材料的晶体结构图；

图6为本发明的实施例9制得的低介微波介质陶瓷材料的晶体结构图；

图7为本发明的实施例13制得的低介微波介质陶瓷材料的晶体结构图。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种化合物在制备微波介质陶瓷中的应用，该化合物的化学式为xBaO-yRE₂O₃ -zSiO₂，其中，RE为La系元素，0<x≤2.0，0<y≤4.0，0<z≤5.0，且化合物的主晶相的化学表达式为Ba₂RE₂Si₄O₁₃或BaRE₂Si₃O₁₀，利用上述化合物制得的低介微波介质陶瓷材料的介电常数ε _r为8.29~13.88，品质因数Q×f为6170~70019GHz。

特别地，请参阅图1所示，本发明还提供了上述颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，包括如下步骤：

S2、将步骤S1中制得的预烧陶瓷粉体进行第二次湿法球磨处理，烘干后加入粘合剂造粒，再经压片和烧结处理，制得低介微波介质陶瓷材料。

优选的，第一次湿法球磨处理的分散剂为200wt%的去离子水，球磨介质为锆球，球磨速度为360r/min，球磨时间为5~12h。

优选的，在步骤S1中，预烧的温度为1100~1200ºC，预烧时间为5~12h。

优选的，在步骤S2中，第二次湿法球磨处理的分散剂为200wt%的去离子水，球磨介质为锆球，球磨工艺为以360r/min的速度球磨5~12h。

优选的，在步骤S2中，粘合剂为PVA（聚乙烯醇）或石蜡，造粒过程中粘合剂的加入量与陶瓷粉体的质量比为5~10%；以PVA作为粘合剂时，采用的PVA的质量百分数为6~10%。

优选的，在步骤S2中，烧结处理的温度1300~1400ºC，烧结时间为5~12h。

下面结合具体的实施例对本发明的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料作进一步说明：

实施例1

本实施例制备了一种颜色可调的低介微波介质陶瓷材料，其制备方法包括如下步骤：

S1、将纯度为99.9%的BaCO₃、La₂O₃和SiO₂分别按照化学式为xBaO-yRE₂O₃ -zSiO₂的化学计量比配料并混合均匀后，以锆球为球磨介质、去离子水为分散剂，利用球磨机将粉末在转速为360r/min的条件下混合搅拌5h，得到浆料；将获得的浆料烘干后在1100ºC下预烧5h，制得预烧陶瓷粉体；

S2、向步骤S1中制得的预烧陶瓷粉体中加入去离子水进行湿法球磨处理，烘干后在干燥的粉末中加入质量分数为8%的PVA粘接剂造粒，粘接剂的质量为陶瓷粉体质量的5%；然后，在150MPa压力下将其压制成厚度与直径比为0.4~0.6的圆柱形生坯试样；压片后在1300ºC的空气中烧结5h，制得的微波介质陶瓷材料的性质如表1所示。

实施例2至14与实施例1的区别仅在于：制备预烧陶瓷粉体时采用的化合物xBaO-yRE₂O₃-zSiO₂中，RE₂O₃种类，x、y和z值不同以及烧结过程的烧结温度不同，其他步骤与实施例1基本一致，在此不再赘述，制得的低介微波介质陶瓷材料的性质如表1所示，从表中数据可以看出，应用本发明制得的低介微波介质陶瓷材料表现出优异的品质因数和低介电常数，介电常数ε _r为8.29~13.88，品质因数Q×f为6170~70019GHz，结果表明烧结温度及RE₂O₃的种类和组成均会对最终得到的低介微波介质陶瓷材料的性质产生影响；进一步地，本发明提出的方法还可以根据需要引入不同种类的La系元素，以赋予陶瓷材料优异的性能。特别地，本发明提出的方法制得的低介微波介质陶瓷材料可以显示出丰富的颜色，在微波介质陶瓷和微波元器件领域具有独特的应用。

实施例1至14制得的低介微波介质陶瓷的相关表征如图2至7所示，图2依次为实施例6、8、5、4、13、12、9制得的低介微波介质陶瓷材料的XRD图，从图中可以看到制得的低介微波介质陶瓷材料以单相的形式存在，不含易变价元素、不易潮解，其主晶相为Ba₂RE₂Si₄O₁₃或BaRE₂Si₃O₁₀；图3中的a-d分别为实施例1至3及实施例7制得的低介微波介质陶瓷材料的SEM图，从图中可以看到微观状态下陶瓷材料内部呈现稳定而致密的状态；图4至图7分别为实施例1、4、9、13制得的低介微波介质陶瓷材料的晶体结构图，从图中可以看到低介微波介质陶瓷主晶相中存在大量的氧四面体，氧四面体的存在使得陶瓷材料更为稳定，表现出低介电常数和较高Q值。

表1 不同条件下制得的微波介质陶瓷的性质对比

项目	RE₂O₃	x	y	z	烧结温度（ºC）	介电常数ε _r	品质因数Q×f（GHz）	颜色
									实施例1	La₂O₃	2	2	4	1300	9.40	18259	白色
实施例2	Nd₂O₃	2	2	4	1300	11.49	25619	紫色
									实施例3	Sm₂O₃	2	2	4	1300	11.49	16731	黄色
实施例4	Eu₂O₃	2	2	4	1300	9.67	26660	白色
									实施例5	Gd₂O₃	2	2	4	1300	9.65	7276	白色
实施例6	Yb₂O₃	2	2	4	1300	10.47	11525	白色
									实施例7	Er₂O₃	2	2	4	1300	10.91	12475	红色
实施例8	Ho₂O₃	2	2	4	1325	8.96	10089	粉红色
									实施例9	Gd₂O₃	1	2	3	1325	10.52	6170	白色
实施例10	La_0.5Nd_0.5Sm_0.5Er_0.5O₃	2	2	4	1325	13.88	13276	深紫色
									实施例11	Ho₂O₃	1	4	5	1350	8.71	13435	粉红色
实施例12	Er₂O₃	1	2	3	1400	9.17	11892	红色
									实施例13	Yb₂O₃	1	2	3	1400	8.72	70019	白色
实施例14	Er₂O₃	1	4	5	1400	8.29	17076	红色

综上所述，本发明提供的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料，通过将化学式为xBaO-yRE₂O₃-zSiO₂的化合物用于制备低介微波介质陶瓷材料，制得具有低介电常数、优异的品质因数的陶瓷材料，且微波介质陶瓷能够呈现出丰富的颜色，主晶相稳定，相成分单一，不含易变价元素、不易潮解，是一种极具应用前景的新型低介微波介质陶瓷材料。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，其特征在于，所述低介微波介质陶瓷材料由化学式为xBaO-yRE₂O₃-zSiO₂的化合物制得，其中，RE为La系元素，0<x≤2.0，0<y≤4.0，0<z≤5.0，且所述化合物的主晶相的化学表达式为Ba₂RE₂Si₄O₁₃或BaRE₂Si₃O₁₀；

所述制备方法包括如下步骤：

S1、称取BaCO₃、RE₂O₃及SiO₂的原料粉末并按照化学式为xBaO-yRE₂O₃-zSiO₂的化学计量比进行配料，混合均匀后进行第一次湿法球磨处理，再经烘干和预烧，所述预烧的温度为1100~1200ºC，预烧时间为5~12h，制得预烧陶瓷粉体；

S2、将步骤S1中制得的所述预烧陶瓷粉体进行第二次湿法球磨处理后，烘干并加入粘合剂造粒，再经压片和烧结处理，所述烧结处理的温度1300~1400ºC，烧结时间为5~12h，制得所述低介微波介质陶瓷材料。

2.根据权利要求1所述的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，其特征在于，所述低介微波介质陶瓷材料的介电常数ε _r为8.29~13.88，品质因数Q×f为6170~70019GHz。

3.根据权利要求1所述的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，其特征在于，在步骤S1中，所述第一次湿法球磨处理的分散剂为200wt%的去离子水。

4.根据权利要求1所述的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，其特征在于，在步骤S2中，所述粘合剂为PVA或石蜡，所述粘合剂的加入量与烘干后的陶瓷粉体的质量比为5~10%；所述PVA的质量百分数为6~10%。

5.根据权利要求1所述的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，其特征在于，在步骤S2中，所述第二次湿法球磨处理的分散剂为200wt%的去离子水。

6.根据权利要求1所述的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，其特征在于，在步骤S2中，所述第二次湿法球磨处理采用的球磨介质为锆球，球磨工艺为以360r/min的速度球磨5~12h。

7.根据权利要求1所述的颜色可调的低介微波介质陶瓷材料的制备方法制得的材料在低介微波介质陶瓷材料中的应用，其特征在于，在步骤S1中，所述第一次湿法球磨处理采用的球磨介质为锆球，球磨工艺为以360r/min的速度球磨5~12h。