CN115925389B - 一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料，由以下原料组分按质量比烧结而得：煤系高岭土矿粉占97.2～98.5％，ZnO粉末占0.5～0.8％和Ga2O3粉末占1～2％，所述煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料烧结后物相是莫来石和石英相。本发明公开了煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，以ZnO粉末和Ga2O3粉末的煅烧混合物为复合烧结助剂，再与煤系高岭土矿粉通过固相反应法烧结。本发明制备的微波介质陶瓷材料，原料成本低，该制备方法不但可以降低烧结温度，而且不损失微波介电性能。

Description

一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，特别是涉及一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
低介电常数微波介质陶瓷材料可以降低基板和电极之间的交联耦合损耗，拥有缩短信号传播延迟的优点，因此，低介电常数、低损耗、近零谐振频率温度系数的微波陶瓷材料对于目前通信频率高频化的现状具有实际应用价值。高性能的低介电常数微波介质陶瓷材料体系均采用高纯的化工粉体原料进行制备，原料成本约为50-100元/kg，如保证材料性能的同时大幅降低原料成本，势必会带来强劲的市场竞争力。
煤系高岭土在我国具有储量大，分布广，价格便宜的特点，煤系高岭土原矿一般100元/t左右。煤系高岭土矿与煤伴生，主要组成为高岭土和有机质，有机质在高温煅烧后完全挥发，不会影响高岭土的结构组成，因此，煤系高岭土也可以应用在建筑陶瓷、日用陶瓷领域中，另外，高岭土在高温煅烧后容易形成莫来石、石英、堇青石相，三者皆拥有超低的相对介电常数，较低的介质损耗，是潜在的低成本低介微波介质陶瓷材料应用体系。
以煤系高岭土为原料，采用主流烧结助剂烧结，会导致材料性能的恶化，无法获得品质和能耗的兼备，因此，开发降低烧结温度、保证微波介电性能不流失的烧结制备工艺是当前微波介质材料领域的一个重要技术难题。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料，以及提供一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，目的是保证微波介电性能的同时降低烧结温度，降低生产成本。
本发明技术方案是这样的：一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料，其特征在于，由以下原料组分按质量比烧结而得：煤系高岭土矿粉占97.2～98.5％，ZnO粉末占0.5～0.8％和Ga2O3粉末占1～2％，所述煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料烧结后物相是莫来石和石英相。
进一步地，所述煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的相对介电常数为4.64～5.32，品质因数为7497～15006GHz，谐振频率温度系数为-22～-28ppm/℃。
本发明的另一技术方案为：一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、将煤系高岭土矿粉和复合烧结助剂按比例混合后，进行湿法球磨、造粒和压制成型后，得到陶瓷生坯；所述复合烧结助剂为ZnO粉末和Ga2O3粉末的混合煅烧物，所述煤系高岭土矿粉、ZnO粉末和Ga2O3粉末的质量占比为97.2～98.5％、0.5～0.8％和1～2％；
步骤S2、将步骤S1得到的陶瓷生坯进行烧结，获得煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料。
进一步地，所述步骤S1中造粒成型的过程是：将5～8％质量浓度的聚乙烯醇水溶液和1～4％质量浓度的丙烯酸钠溶液作为二元粘结剂，与球磨烘干后的粉末混合并进行造粒，二元粘结剂占粉体质量的5～8％。
进一步地，所述步骤S1的ZnO粉末和Ga2O3粉末的混合煅烧物由以下步骤得到：将ZnO、Ga2O3粉末按比例称取后通过研磨的方式混合均匀后在高温马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为600～800℃，保温时间为2～4小时。
进一步地，所述步骤S2中烧结的过程是：在空气气氛中进行，烧结温度为1000～1100℃，保温时间为4～6h。
进一步地，所述步骤S1中的煤系高岭土矿石粉的粒径小于200μm。
进一步地，所述步骤S1中湿法球磨的过程是：在去离子水介质中球磨8～12h，粉末：锆球：去离子水的质量比为1：4～6：1.5～3。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、以煤系高岭土矿作为主要原料，实现了以莫来石为主物相、石英为次相的低成本微波介质陶瓷材料制备；
2、ZnO和Ga2O3在高温下形成复合烧结助剂，改善陶瓷材料烧结性能的同时提升了微波介电性能；
3、在造粒工艺中引入聚乙烯醇+丙烯酸钠的二元粘结剂，使得陶瓷颗粒最终烧结致密，有效提高材料的微波介电性能。
附图说明
图1为本发明实施例2所制备煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
本发明各实施例所使用的煤系高岭土矿粉的成分分析如下
实施例1
将10～20mm的煤系高岭土矿石颗粒通过颚式破碎机粉化后再机械筛分获得粒度小于200μm的粉末，然后称取ZnO粉末0.2g、Ga2O3粉末0.4g，通过研磨的方式将两种粉末混合均匀并在高温马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为600℃，保温时间2h，称取预处理的39.4g煤系高岭土矿粉，与煅烧后的ZnO、Ga2O3粉末一起倒入到80g去离子水中进行混合并湿法球磨8h，粉末：锆球：去离子水的质量比为1：4：1.5；将球磨后获得的混合粉末烘干，烘干后的粉末中加入粘结剂(5％质量浓度的聚乙烯醇水溶液和1％质量浓度的丙烯酸钠溶液)进行造粒，粘结剂添加量为2g，造粒后的粉末装入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于高温炉中，空气气氛烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为4h，烧结结束后随炉冷却。
实施例2
将10～20mm的煤系高岭土矿石颗粒通过颚式破碎机粉化后再机械筛分获得粒度小于200μm的粉末，然后称取ZnO粉末0.24g、Ga2O3粉末0.52g，通过研磨的方式将两种粉末混合均匀并在高温马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为700℃，保温时间3h，称取预处理的39.24g煤系高岭土矿粉，与煅烧后的ZnO、Ga2O3粉末一起倒入到80g去离子水中进行混合并湿法球磨9h，粉末：锆球：去离子水的质量比为1：4.5：2；将球磨后获得的混合粉末烘干，烘干后的粉末中加入粘结剂(6％质量浓度的聚乙烯醇水溶液和2％质量浓度的丙烯酸钠溶液)进行造粒，粘结剂添加量为2.4g，造粒后的粉末装入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于高温炉中，空气气氛烧结，烧结温度为1030℃，保温时间为5h，烧结结束后随炉冷却。
实施例3
将10～20mm的煤系高岭土矿石颗粒通过颚式破碎机粉化后再机械筛分获得粒度小于200μm的粉末，然后称取ZnO粉末0.28g、Ga2O3粉末0.68g，通过研磨的方式将两种粉末混合均匀并在高温马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为750℃，保温时间3h，称取预处理的39.04g煤系高岭土矿粉，与煅烧后的ZnO、Ga2O3粉末一起倒入到80g去离子水中进行混合并湿法球磨10h，粉末：锆球：去离子水的质量比为1：5：2.5；将球磨后获得的混合粉末烘干，烘干后的粉末中加入粘结剂(7％质量浓度的聚乙烯醇水溶液和3％质量浓度的丙烯酸钠溶液)进行造粒，粘结剂添加量为2.8g，造粒后的粉末装入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于高温炉中，空气气氛烧结，烧结温度为1060℃，保温时间为5h，烧结结束后随炉冷却。
实施例4
将10～20mm的煤系高岭土矿石颗粒通过颚式破碎机粉化后再机械筛分获得粒度小于200μm的粉末，然后称取ZnO粉末0.32g、Ga2O3粉末0.8g，通过研磨的方式将两种粉末混合均匀并在高温马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为800℃，保温时间4h，称取预处理的38.88g煤系高岭土矿粉，与煅烧后的ZnO、Ga2O3粉末一起倒入到80g去离子水中进行混合并湿法球磨12h，粉末：锆球：去离子水的质量比为1：6：3；将球磨后获得的混合粉末烘干，烘干后的粉末中加入粘结剂(8％质量浓度的聚乙烯醇水溶液和4％质量浓度的丙烯酸钠溶液)进行造粒，粘结剂添加量为3.2g，造粒后的粉末装入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于高温炉中，空气气氛烧结，烧结温度为1100℃，保温时间为6h，烧结结束后随炉冷却。
对比例1(以实施例2为基础，采用现有技术常规烧结助剂)
将10～20mm的煤系高岭土矿石颗粒通过颚式破碎机粉化后再机械筛分获得粒度小于200μm的粉末，称取预处理的39.24g煤系高岭土矿粉以及0.24g烧结助剂ZnO粉末一起倒入到80g去离子水中进行混合并湿法球磨9h，粉末：锆球：去离子水的质量比为1：4.5：2；将球磨后获得的混合粉末烘干，烘干后的粉末中加入粘结剂(6％质量浓度的聚乙烯醇水溶液和2％质量浓度的丙烯酸钠溶液)进行造粒，粘结剂添加量为2.4g，造粒后的粉末装入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于高温炉中，空气气氛烧结，烧结温度为1030℃，保温时间为5h，烧结结束后随炉冷却。
对比例2(以实施例2为基础，不采用二元粘结剂)
将10～20mm的煤系高岭土矿石颗粒通过颚式破碎机粉化后再机械筛分获得粒度小于200μm的粉末，然后称取ZnO粉末0.24g、Ga2O3粉末0.52g，通过研磨的方式将两种粉末混合均匀并在高温马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为700℃，保温时间3h，称取预处理的39.24g煤系高岭土矿粉，与煅烧后的ZnO、Ga2O3粉末一起倒入到80g去离子水中进行混合并湿法球磨9h，粉末：锆球：去离子水的质量比为1：4.5：2；将球磨后获得的混合粉末烘干，烘干后的粉末中加入粘结剂(6％质量浓度的聚乙烯醇水溶液)进行造粒，粘结剂添加量为2.4g，造粒后的粉末装入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于高温炉中，空气气氛烧结，烧结温度为1030℃，保温时间为5h，烧结结束后随炉冷却。
各实施例制得的煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的物相是莫来石和石英相，其中实施例2制得的陶瓷材料的XRD图谱如图1所示，各实施例和对比例得到的材料性能如下

Claims (7)

1.一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料，其特征在于，由以下原料组分按质量比烧结而得：煤系高岭土矿粉占97.2～98.5 %，ZnO粉末占0.5～0.8 %和Ga2O3粉末占1～2 %，所述煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料烧结后物相是莫来石和石英相，所述烧结的方法包括以下步骤：
步骤S1、将煤系高岭土矿粉和复合烧结助剂按比例混合后，进行湿法球磨、造粒和压制成型后，得到陶瓷生坯，造粒成型的过程是：将5~8%质量浓度的聚乙烯醇水溶液和1~4%质量浓度的丙烯酸钠溶液作为二元粘结剂，与球磨烘干后的粉末混合并进行造粒，二元粘结剂占粉体质量的5~8%，所述复合烧结助剂为ZnO粉末和Ga2O3粉末的混合煅烧物；
步骤S2、将步骤S1得到的陶瓷生坯进行烧结，获得煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的相对介电常数为4.64～5.32，品质因数为7497～15006GHz，谐振频率温度系数为-22～-28ppm/℃。
3.一种煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将煤系高岭土矿粉和复合烧结助剂按比例混合后，进行湿法球磨、造粒和压制成型后，得到陶瓷生坯，造粒成型的过程是：将5~8%质量浓度的聚乙烯醇水溶液和1~4%质量浓度的丙烯酸钠溶液作为二元粘结剂，与球磨烘干后的粉末混合并进行造粒，二元粘结剂占粉体质量的5~8%；所述复合烧结助剂为ZnO粉末和Ga2O3粉末的混合煅烧物，所述煤系高岭土矿粉、ZnO粉末和Ga2O3粉末的质量占比为97.2～98.5 %、0.5～0.8 %和1～2 %；
步骤S2、将步骤S1得到的陶瓷生坯进行烧结，获得煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料。
4.根据权利要求3所述的煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1的ZnO粉末和Ga2O3粉末的混合煅烧物由以下步骤得到：将ZnO、Ga2O3粉末按比例称取后通过研磨的方式混合均匀后在高温马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为600～800℃，保温时间为2~4小时。
5.根据权利要求3所述的煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中烧结的过程是：在空气气氛中进行，烧结温度为1000~1100℃，保温时间为4~6h。
6.根据权利要求3所述的煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的煤系高岭土矿石粉的粒径小于200μm。
7.根据权利要求3所述的煤系高岭土矿质微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中湿法球磨的过程是：在去离子水介质中球磨8～12h，粉末：锆球：去离子水的质量比为1：4~6：1.5~3。
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