CN116693188A - 一种玻璃材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃材料及其制备方法和应用。本发明的玻璃材料包括以下摩尔百分比的组分：氧化镧：10％～20％；氧化铋：40％～70％；二氧化硅：15％～45％；二氧化锆：0～10％；二氧化锡：0～10％；三氧化二钕：0～10％。本发明的玻璃材料的制备方法包括以下步骤：1)将所有原料混合进行研磨制成混合料；2)将混合料熔融，再冷却形成玻璃块体后进行球磨，得到粉末状的玻璃材料，或者，将混合料熔融，再注入模具成型后进行退火、切割和抛光，得到成型的玻璃材料。本发明的玻璃材料的相对介电常数较大、介电损耗低，且不含有毒元素、熔融温度较低、生产成本较低、便于制备薄膜，适合用于电子封装和玻璃薄膜芯片电容器。

Description

一种玻璃材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电介质材料技术领域，具体涉及一种玻璃材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着5G通信技术、数字经济、人工智能技术等的快速发展，人们的生活发生了巨大改变，智能手机、智能家居和各种仪器设备在不断改进和创新，人们对电子元器件和相关材料的性能要求也越来越高。
电介质电容器是一种常见的电容器，其性能关键在于电介质材料。电介质材料通常分为以下三种：1)陶瓷介质材料：相对介电常数较高(εr>100)，但介电损耗高，且击穿强度低(<500kV/cm)；2)聚合物介质材料：介电击穿强度非常高(1MV/cm～10MV/cm)，但相对介电常数小(εr<10)，且使用温度范围小(<200℃)；3)玻璃介质材料：介电击穿强度非常高(1MV/cm～20MV/cm)，介电损耗低(<10-3)，温度稳定性好，但介电常数较低。综上可知，现有的电介质材料均存在明显的缺点，制成的电介质电容器尚难以完全满足日益增长的实际应用要求。
近些年来，随着微波通信行业的发展，电子器件趋于微型化。单层电容器因具有介质损耗低、无串扰效应等优点，其比多层电容器更加符合高频率电子线路的要求，而玻璃的高介电击穿和低介电损耗特性十分符合单层电容器的性能要求。
因此，开发一种在具有低介电损耗的同时还能保持较高介电常数的玻璃介质材料具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种玻璃材料及其制备方法和应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种玻璃材料，其包括以下摩尔百分比的组分：
氧化镧：10％～20％；
氧化铋：40％～70％；
二氧化硅：15％～45％；
二氧化锆：0～10％；
二氧化锡：0～10％；
三氧化二钕：0～10％。
优选的，所述氧化镧、二氧化硅的摩尔比为0.23～1:1。
进一步优选的，所述氧化镧、二氧化硅的摩尔比为0.3～0.8:1。
更进一步优选的，所述氧化镧、二氧化硅的摩尔比为0.4～0.75:1。
优选的，所述氧化铋、二氧化硅的摩尔比为1.5～3:1。
进一步优选的，所述氧化铋、二氧化硅的摩尔比为2～3:1。
优选的，所述氧化铋和二氧化硅的总摩尔量与二氧化锆、二氧化锡和三氧化二钕的总摩尔量的比为2.5～11:1。
进一步优选的，所述氧化铋和二氧化硅的总摩尔量与二氧化锆、二氧化锡和三氧化二钕的总摩尔量的比为4～10:1。
更进一步优选的，所述氧化铋和二氧化硅的总摩尔量与二氧化锆、二氧化锡和三氧化二钕的总摩尔量的比为6～9:1。
一种如上所述的玻璃材料的制备方法包括以下步骤：
1)将氧化镧、氧化铋、二氧化硅、二氧化锆、二氧化锡和三氧化二钕混合进行研磨，得到混合料；
2)将混合料熔融，再冷却形成玻璃块体，再进行球磨，得到粉末状的玻璃材料；
或者，将混合料熔融，再注入模具成型，再进行退火、切割和抛光，得到成型的玻璃材料。
优选的，步骤2)所述熔融在1000℃～1200℃下进行。
优选的，步骤2)所述退火在350℃～550℃下进行。
一种封装玻璃粉，其包含上述玻璃材料。
一种太阳能电池，其包含上述玻璃材料。
一种电容器，其包含上述玻璃材料。
本发明的有益效果是：本发明的玻璃材料的相对介电常数大于20(1MHz)、介电损耗低于3.0×10-3(1MHz)，且不含有毒元素、熔融温度较低、生产成本较低、便于制备薄膜，适合用于电子封装和玻璃薄膜芯片电容器。
附图说明
图1为实施例1～4的玻璃材料的XRD图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种玻璃材料，其组成如下表所示：
表1一种玻璃材料的组成表
组分 摩尔百分比(％)
氧化镧(La2O3) 14
氧化铋(Bi2O3) 65
二氧化硅(SiO2) 21
上述玻璃材料的制备方法包括以下步骤：
1)将氧化镧、氧化铋和二氧化硅混合进行研磨，得到混合料；
2)将混合料1000℃～1200℃下熔融，再快速倒入预热至300℃的石墨模具中进行成型，再350℃～400℃下退火60min，再进行切割和抛光，得到成型的玻璃材料(厚度为3mm)。
实施例2：
一种玻璃材料，其组成如下表所示：
表2一种玻璃材料的组成表
组分 摩尔百分比(％)
氧化镧(La2O3) 18
氧化铋(Bi2O3) 55
二氧化硅(SiO2) 18
二氧化锆(ZrO2) 9
上述玻璃材料的制备方法包括以下步骤：
1)将氧化镧、氧化铋、二氧化硅和二氧化锆混合进行研磨，得到混合料；
2)将混合料1000℃～1200℃下熔融，再快速倒入预热至400℃的石墨模具中进行成型，再450℃～500℃下退火60min，再进行切割和抛光，得到成型的玻璃材料(厚度为3mm)。
实施例3：
一种玻璃材料，其组成如下表所示：
表3一种玻璃材料的组成表
上述玻璃材料的制备方法包括以下步骤：
1)将氧化镧、氧化铋、二氧化硅和二氧化锡混合进行研磨，得到混合料；
2)将混合料1000℃～1200℃下熔融，再快速倒入预热至350℃的石墨模具中进行成型，再400℃～450℃下退火60min，再进行切割和抛光，得到成型的玻璃材料(厚度为3mm)。
实施例4：
一种玻璃材料，其组成如下表所示：
表4一种玻璃材料的组成表
组分 摩尔百分比(％)
氧化镧(La2O3) 13
氧化铋(Bi2O3) 60
二氧化硅(SiO2) 18
三氧化二钕(Nd2O3) 9
上述玻璃材料的制备方法包括以下步骤：
1)将氧化镧、氧化铋、二氧化硅和三氧化二钕混合进行研磨，得到混合料；
2)将混合料1000℃～1200℃下熔融，再快速倒入预热至420℃的石墨模具中进行成型，再470℃～550℃下退火60min，再进行切割和抛光，得到成型的玻璃材料(厚度为3mm)。
性能测试：
1)实施例1～4的玻璃材料的X射线衍射(XRD)图如图1所示。
由图1可知：实施例1～4的玻璃材料的无明显析晶相。
2)实施例1～4的玻璃材料的性能测试结果如下表所示：
表5实施例1～4的玻璃材料的性能测试结果
注：
玻璃化转变温度：参考IOS 11357-2、GB/T19466.2-2004等标准，采用等距法，找到DSC曲线上第一个吸热峰前后与基线平行的直线中点，将该中点对应的横坐标温度作为玻璃材料样品的Tg；
相对介电常数和介电损耗：采用美国Keysight公司的E4990A阻抗分析仪对玻璃材料样品的电容和介电损耗进行测试，测试频率范围为1000Hz～1MHz，测试温度为室温，由于Bi系玻璃样品的析晶温度低于银浆的烧结温度，无法通过丝网印刷的方式镀上电极，所以先将玻璃材料样品厚度抛光至2mm左右，超声清洗并置于干燥箱中120℃烘干，然后使用高真空电阻蒸发镀膜机在玻璃两面镀上银电极，电极尺寸为5mm×5mm，最后利用公式计算玻璃材料样品的相对介电常数k；
电阻率：采用吉时利源表Keithley2450表测试玻璃材料样品的I-V曲线，电压范围为0～200V，选择100V电压条件下的电阻，最后利用公式计算获得玻璃材料样品的体电阻率ρ；
硬度：将玻璃材料样品进行精细抛光至镜面，再采用Instron公司的Wilson-Wolpert Tukon2100B型显微硬度计对玻璃材料样品的维氏硬度进行测试，选用的载荷为1kg，保压时间为10s，通过测量压痕的两个对角线的长度，采用公式计算玻璃材料样品的维氏硬度，每个样品随机选取五个位置测试，取平均值作为玻璃材料样品的硬度值；
密度：采用阿基米德排水法对玻璃材料样品的体积密度进行测试。
由表5可知：实施例1～4的玻璃材料的介电性能优异，相对介电常数为28～50，介电损耗为1.6×10-3～3.0×10-3，说明其在电子封装和薄膜芯片电容器上都具有很好的应用潜力。
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上述实施例的限制，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 (10)

1.一种玻璃材料，其特征在于，包括以下摩尔百分比的组分：
氧化镧：10％～20％；
氧化铋：40％～70％；
二氧化硅：15％～45％；
二氧化锆：0～10％；
二氧化锡：0～10％；
三氧化二钕：0～10％。
2.根据权利要求1所述的玻璃材料，其特征在于：所述氧化镧、二氧化硅的摩尔比为0.23～1:1。
3.根据权利要求1或2所述的玻璃材料，其特征在于：所述氧化铋、二氧化硅的摩尔比为1.5～3:1。
4.根据权利要求1或2所述的玻璃材料，其特征在于：所述氧化铋和二氧化硅的总摩尔量与二氧化锆、二氧化锡和三氧化二钕的总摩尔量的比为2.5～11:1。
5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的玻璃材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将氧化镧、氧化铋、二氧化硅、二氧化锆、二氧化锡和三氧化二钕混合进行研磨，得到混合料；
2)将混合料熔融，再冷却形成玻璃块体，再进行球磨，得到粉末状的玻璃材料；
或者，将混合料熔融，再注入模具成型，再进行退火、切割和抛光，得到成型的玻璃材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述熔融在1000℃～1200℃下进行。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述退火在350℃～550℃下进行。
8.一种封装玻璃粉，其特征在于，包含权利要求1～4中任意一项所述的玻璃材料。
9.一种太阳能电池，其特征在于，包含权利要求1～4中任意一项所述的玻璃材料。
10.一种电容器，其特征在于，包含权利要求1～4中任意一项所述的玻璃材料。
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Citations (3)

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