CN117083244A - 钛酸钡系粉末及其制造方法、以及密封材料用填料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钛酸钡系粉末的制造方法,包括如下工序:工序a,通过将包含钛酸钡系化合物的原料喷射到加热至该化合物的熔点以上的高温场中而形成钛酸钡系粒子,以及工序b,将包含工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末以700~1300℃加热。
Description
技术领域
本发明涉及钛酸钡系粉末及其制造方法、以及密封材料用填料。
背景技术
钛酸钡系化合物作为具有极高的相对介电常数的材料而广为人知,并被广泛用于寻求高介电化的各种电子零件材料(例如密封材料等)中的填料等。
钛酸钡系化合物其本身虽然具有高的相对介电常数,但作为填料时的相对介电常数根据其制造方法而变动。因此,研究了各种用于制造高相对介电常数的钛酸钡系粉末的方法。
例如在专利文献1中公开了一种通过将钛酸钡质原料喷雾至高温火焰中而制造钛酸钡粉末的方法。根据该方法,可得到具有高的相对介电常数的钛酸钡粉末。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2017-24925号公报
发明内容
近年来,作为第5代(5G)移动通信系统中利用的毫米波所对应的材料(例如天线封装等技术所使用的密封材料用填料),寻求开发一种具有更高的相对介电常数的材料。
因此,本发明的主要目的在于提供一种具有更高的相对介电常数的钛酸钡系粉末及其制造方法。
本发明的一个方面提供一种钛酸钡系粉末的制造方法,包括如下工序:工序a,通过将包含钛酸钡系化合物的原料喷射到加热至该化合物的熔点以上的高温场中而形成钛酸钡系粒子,以及工序b,将包含工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末以700~1300℃加热。
根据上述方面的制造方法,能够得到具有更高的相对介电常数的钛酸钡系粉末。
一个方式中,钛酸钡系粉末的制造方法可以进一步包括工序c,将包含工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末进行分级而得到平均粒径不同的多个粉末。此时,工序b中可以使用工序c中得到的多个粉末中平均粒径为5.0μm以下、真比重为5.60~5.90g/cm3的粉末作为包含工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末。
本发明的另一个方面提供一种钛酸钡系粉末,是包含钛酸钡系粒子的粉末,其在1GHz时的相对介电常数为200~330。
一个方式中,钛酸钡系粉末的平均粒径可以为3.0~7.0μm。
一个方式中,钛酸钡系粉末的平均球形度可以为0.80以上。
本发明的另一个方式提供一种密封材料用填料,包含上述方面的钛酸钡系粉末。
根据本发明,能够提供一种具有更高的相对介电常数的钛酸钡系粉末及其制造方法。
具体实施方式
本说明书中,利用“~”表示的数值范围表示包括“~”的前后所记载的数值分别作为最小值和最大值的范围。另外,除非有具体明示,否则“~”的前后所记载的数值的单位相同。本说明书中阶段地记载的数值范围中,某阶段的数值范围的上限值或下限值也可以置换为其他阶段的数值范围的上限值或下限值。另外,本说明书中记载的数值范围中,其数值范围的上限值或下限值可以置换为实施例中所示出的值。另外,个别记载的上限值和下限值可以任意地组合。
以下,对本发明的优选的实施方式进行说明。但是,本发明并不受下述实施方式任何限定。
一个实施方式的钛酸钡系粉末的制造方法包括如下工序:工序a,通过将包含钛酸钡系化合物的原料喷射到加热至该化合物的熔点以上的高温场中而形成钛酸钡系粒子,以及工序b,将包含工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末以700~1300℃加热。
上述方法也可以换言之为钛酸钡系粉末的相对介电常数的提高方法。上述方法中,通过在工序a之后实施工序b,能够提高工序a中得到的粉末的相对介电常数。因此,根据上述方法,能够得到具有更高的相对介电常数的钛酸钡系粉末。
另外,根据上述方法,也能够进一步提高球形度和正方晶率。即,根据上述方法,能够得到平均球形度接近1、正方晶率接近100%的钛酸钡系粉末。
上述方法可以进一步包括将包含上述工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末进行分级而得到平均粒径不同的多个粉末的工序c。该工序c可以在工序a之后、工序b之前实施,也可以与工序a同时实施。
以下,对钛酸钡系粉末的制造方法中的各工序(工序a、工序b和工序c)进行说明。
<工序a>
工序a中,通过将包含钛酸钡系化合物的原料喷射到高温场中,使该原料熔融固化,形成球形度高的钛酸钡系粒子。
原料为包含钛酸钡系化合物的固体(例如粒子)。一般而言,钛酸钡这样的钙钛矿型氧化物具有ABO3的晶体结构。A位点和B位点两者均容易被其他元素取代,可以将Nd、La、Ca、Sr、Zr等异种元素取代至晶体结构内。本说明书中,将钛酸钡以及在钛酸钡的上述A位点和/或B位点取代异种元素而成的化合物总称为钛酸钡系化合物。作为钛酸钡系化合物,例如可举出下述式(1)表示的化合物和下述式(2)表示的化合物。
(Ba(1-x)Cax)(Ti(1-y)Zry)O3…(1)
[式(1)中,x和y满足0≤x+y≤0.4]
LaxBa(1-x)Ti(1-x/4)O3…(2)
[式(2)中,x满足0<x<0.14]
原料的形状没有特别限定,可以为定形,也可以为无定形。原料也可以包含钛酸钡系化合物以外的成分(例如,不可避免地含有的杂质等成分)。以原料的总质量作为基准,原料中的钛酸钡系化合物的含量可以为98~100质量%,也可以为99~100质量%。
原料的平均粒径可以为0.5~3.0μm,也可以为1.0~2.5μm或1.5~2.0μm。原料的平均粒径越大,工序a中得到的钛酸钡系粒子的平均粒径越大,原料的平均粒径越小,工序a中得到的钛酸钡系粒子的平均粒径越小。如果原料的平均粒径为上述范围,则工序a中容易得到平均粒径为3.0~7.0μm的钛酸钡系粒子。本说明书中,平均粒径是在通过基于激光衍射光散射法的质量基准的粒度测定而得到的粒度分布中累积质量为50%的粒径(D50),可以使用Malvern公司制“Mastersizer 3000,安装湿式分散单元:Hydro MV”进行测定。
工序a中,也可以将原料与溶剂混合并制成浆料状后使用。即,工序a中,也可以将包含原料和溶剂的浆料喷射至高温场中。喷射浆料时,通过溶剂的表面张力,容易提高钛酸钡系粒子的球形度。
作为溶剂,例如可使用水。作为溶剂,出于调整发热量的目的,也可以使用甲醇、乙醇等有机溶剂。它们可以单独使用,也可以混合使用。
从容易提高钛酸钡系粒子的球形度的观点考虑,以浆料的总质量为基准,浆料中的原料的浓度(含量)可以为1~50质量%,也可以为20~47质量%或40~45质量%。
高温场例如可以为在燃烧炉等中形成的高温火焰。高温火焰可以由可燃气体和助燃气体形成。高温场(例如高温火焰)的温度为原料所使用的钛酸钡系化合物的熔点以上的温度,例如为1625~2000℃。
作为可燃性气体,例如可举出丙烷、丁烷、丙烯、乙炔、氢等。它们可以单独使用一种,或者将二种以上组合使用。作为助燃气体,例如可以使用氧气等含氧气体。但是,可燃性气体和助燃气体不限于这些。
原料的喷射(喷雾)例如可以使用二流体喷嘴进行。原料的喷射速度(供给速度)可以为0.3~32kg/h,也可以为9~29kg/h或22~27kg/h。如果原料的喷射速度为上述范围,则容易提高钛酸钡系粒子的球形度。使用浆料时,浆料中的原料的喷射速度可以为上述范围。
原料喷射时可以使用分散气体。即,可以一边使原料(或包含原料的浆料)分散于分散气体一边进行喷射。由此,容易提高钛酸钡系粒子的球形度。作为分散气体,可以使用空气、氧气等助燃性气体、氮气、氩气等非活性气体等。出于调整气体的发热量的目的,也可以在非活性气体中混合燃烧性气体。从容易提高钛酸钡系粒子的球形度的观点考虑,分散气体的供给速度可以为20~50m3/h,也可以为30~47m3/h或40~45m3/h。
上述工序a中形成的钛酸钡系粒子可以包含钛酸钡系化合物以外的成分(例如,不可避免地含有的杂质等成分)。以钛酸钡系粒子的总质量作为基准,钛酸钡系粒子中的钛酸钡系化合物的含量可以为98~100质量%,也可以为99~100质量%。
上述工序a中形成的钛酸钡系粒子的平均球形度(包含钛酸钡系粒子的粉末的平均球形度)例如超过0.70。上述工序a中,通过调整原料的喷射速度、使用浆料和使用分散气体等,也能够得到具有0.80以上或0.85以上的平均球形度的钛酸钡系粒子。另外,实施后述的工序c时,也可以通过分级来进一步提高球形度。平均球形度的最大值为1。
本说明书中,平均球形度是指利用以下的方法测定的值。首先,将试样粉末与乙醇混合,制备试样粉末的浓度为1质量%的浆料,使用BRANSON公司制“SONIFIER450(破碎探头3/4”实心型)”,以输出等级8进行2分钟分散处理。将得到的分散浆料利用滴管滴加于涂布有碳糊的试样台。在试样台上在大气中静置直至所滴加的浆料干燥为止,然后进行锇涂覆,将其利用日本电子株式会社制扫描式电子显微镜“JSM-6301F型”进行拍摄。以倍率3000倍进行拍摄,得到分辨率2048×1536像素的图像。将得到的图像读入拍摄计算机,使用MOUNTECH株式会社制的图像解析装置“MacView Ver.4”,并利用简单的读取工具识别粒子,由粒子的投影面积(A)和周长(PM)测定球形度。将周长(PM)所对应的正圆的面积设为(B),该粒子的球形度为A/B,但如果假设具有与试样的周长(PM)相同的周长的正圆(半径r),则由于PM=2πr、B=πr2,因此B=π×(PM/2π)2,各粒子的球形度(A/B)为A×4π/(PM)2。求出200个以这样的方式得到的任意的投影面积圆当量直径2μm以上的粒子的球形度,将其算术平均值作为平均球形度。
<工序c>
工序c中,将包含工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末进行分级。分级方法没有特别限定,可以为筛网分级,也可以为风力分级。从有效地进行分级的观点考虑,优选在实施工序a的燃烧炉的下部直接连接捕集系统管线,利用设置于捕集系统管线的后方(与燃烧炉为相反侧)的鼓风机并介由捕集系统管线抽吸燃烧炉内的钛酸钡系粒子,由此将包含钛酸钡系粒子的粉末进行分级。捕集系统管线除具有与燃烧炉连接的热交换器外,也可以具有旋风器和袋滤器。热交换器、旋风器和袋滤器可以依次串联连接。此时,燃烧炉、热交换器、旋风器和袋滤器分别捕集包含钛酸钡系粒子的粉末。所捕集的各粉末的粒径例如可通过鼓风机的抽吸量等进行调整。
在工序c中使用上述捕集系统管线时,有越是上游侧(靠近燃烧炉侧)所捕集的粉末,具有越接近钛酸钡系化合物的比重的真比重的趋势。推测这是因为越是下游侧(靠近鼓风机侧),所捕集的粉末中越容易混入比重小的杂质(碳酸钡等)。另外,在工序c中使用上述捕集系统管线时,有旋风器所捕集的粉末的球形度最高的趋势。
工序c中,可以进行包含钛酸钡系粒子的粉末的分级以使所得到的粉末中的至少一种的平均粒径为5.0μm以下。通过在工序b中使用具有上述平均粒径的粉末,有工序b中得到的钛酸钡系粉末的相对介电常数进一步提高的趋势。上述粉末的平均粒径可以为3.0~5.0μm,也可以为3.2~4.8μm或3.5~4.5μm。
<工序b>
工序b中,通过将包含工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末在700~1300℃的温度下进行加热,以该粉末的煅烧物的形式得到钛酸钡系粉末。
作为包含工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末,可以使用通过将包含工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末进行分级而得到的多个粉末中的一个。即,工序b中可以使用工序c中得到的粉末中的一个。工序c中使用上述捕集系统管线时,如果使用旋风器所捕集的粉末,则有得到的钛酸钡系粉末的相对介电常数进一步提高的趋势。
从得到的钛酸钡系粉末的相对介电常数容易进一步提高的观点考虑,工序b中使用的粉末的平均粒径可以为5.0μm以下,也可以为4.5μm以下或4.0μm以下。从防止煅烧时的粒子彼此的凝聚和粘结的观点考虑,工序b中使用的粉末的平均粒径可以为2.0μm以上。从这些观点考虑,工序b中使用的粉末的平均粒径可以为2.0~5.0μm、2.0~4.5μm或2.0~4.0μm。
工序b中,粉末的真比重越接近钛酸钡系化合物的比重,越容易得到因煅烧所带来的相对介电常数的提高效果。从得到的钛酸钡系粉末的相对介电常数容易进一步提高的观点考虑,工序b中使用的粉末的真比重可以为5.60~5.90g/cm3,也可以为5.60~5.80g/cm3、5.65~5.78g/cm3或5.70~5.75g/cm3。本说明书中,真比重可利用株式会社Seishin企业制的Auto True Denser MAT-7000型进行测定。
从上述观点考虑,工序b中,优选使用平均粒径为5.0μm以下、真比重为5.60~5.90g/cm3的粉末。工序c中使用上述捕集系统管线时,能够通过旋风器捕集而容易地得到具有这样的平均粒径和真比重的粉末。
工序b中使用的粉末的平均球形度可以超过0.80,也可以为0.82以上或0.85以上。平均球形度的最大值为1。
粉末的加热可以使用煅烧炉。粉末的加热温度(例如煅烧炉内的温度)为700℃以上,也可以为800℃以上、900℃以上、1000℃以上或1100℃以上。加热温度越高,有正方晶率越提高的趋势。粉末的加热温度为1300℃以下,从提高球形度的观点考虑,也可以为1200℃以下、1100℃以下或1000℃以下。从得到的钛酸钡系粉末的相对介电常数容易进一步提高的观点考虑,粉末的加热温度也可以为800~1200℃或900~1100℃。粉末的升温速度没有特别限定,可以为2~5℃/min,也可以为2.5~4.5℃/min或3~4℃/min。
从得到的钛酸钡系粉末的相对介电常数容易进一步提高的观点考虑,粉末的加热时间可以为2小时以上,也可以为4小时以上或6小时以上。如果粉末的加热时间为6小时以上,则上述相对介电常数的提高趋势变小,因此,从生产效率的观点考虑,粉末的加热时间可以为8小时以下。应予说明,上述加热时间不包含升温时间。
加热后的冷却条件没有特别限定。加热后的冷却可以为在炉内自然冷却。
根据上述说明的钛酸钡系粉末的制造方法,能够得到具有更高的相对介电常数的钛酸钡系粉末。具体而言,例如能够得到1GHz时的相对介电常数为200~330的钛酸钡系粉末。钛酸钡系粉末的1GHz时的相对介电常数也可以为250以上、280以上或300以上。即,根据上述钛酸钡系粉末的制造方法,也能够得到1GHz时的相对介电常数为250~330、280~330或300~330的钛酸钡系粉末。这里,钛酸钡系粉末的相对介电常数可使用KEYCOM株式会社制的粉体介电常数测定器“TM空腔谐振器”(圆柱空腔谐振法)进行测定。测定值是通过输入填充重量和真比重进行校正而得的值。应予说明,测定时,在测定池内填充钛酸钡系粉末时,进行10次以上的振实(落入测定池内)。由此,通过使空隙率充分地降低,能够抑制偏差。
利用上述方法得到的钛酸钡系粉末有具有高球形度和高正方晶率的趋势。钛酸钡系粉末的平均球形度例如为0.80以上,也可以为0.83以上、0.85以上、0.87以上或0.88以上。平均球形度的最大值为1。利用上述方法,可得到平均球形度接近1(例如为0.80~0.99、0.83~0.97、0.85~0.95、0.87~0.93或0.88~0.90)的钛酸钡系粉末。另外,钛酸钡系粉末的正方晶率例如为65%以上,也可以为68%以上或70%以上。正方晶率的最大值为100%。利用上述方法,可得到正方晶率接近100%(例如为65~95%、68~85%或70~75%)的钛酸钡系粉末。正方晶率可使用BRUKER公司制D2 PHASER测定钛酸钡粉末的X射线衍射(XRD)图案,并利用Rietveld法求出。
利用上述方法得到的钛酸钡系粉末的平均粒径例如为3.0~7.0μm。钛酸钡系粉末的平均粒径可以为3.2μm以上或3.5μm以上,也可以为6.5μm以下、6.0μm以下、5.0μm以下、4.5μm以下或4.2μm以下。
利用上述方法得到的钛酸钡系粉末具有高相对介电常数,因此,适用于各种电子零件材料,特别适合作为要求高相对介电常数的密封材料用填料使用。作为密封材料,例如可举出天线封装中使用的密封材料。使用钛酸钡系粉末作为密封材料用填料时,也可以与其他填料成分混合而使用。
实施例
以下,利用实施例和比较例对本发明的内容进行更详细地说明,但本发明不限定于以下的实施例。
<比较例1>
(原料的准备)
准备KCM Corporation制的“BT-SA”(商品名,钛酸钡粉末,平均粒径:1.6μm)作为原料,将其与水混合而制备浆料(BT-SA的浓度:43质量%)。
(钛酸钡粒子的形成)
准备具备顶部设置有能够形成内焰和外焰的双重管结构的LPG-氧混合型燃烧器的燃烧炉、与燃烧炉的下部直接连接的捕集系统管线以及与捕集系统管线连接的鼓风机的装置。捕集系统管线具有与燃烧炉连接的热交换器、与热交换器的上部连接的旋风器以及与旋风器的上部连接的袋滤器,袋滤器与鼓风机连接。
在上述装置的燃烧炉内形成高温火焰(温度:约2000℃),从燃烧器的中心部将上述浆料以37L/Hr(以BT-SA换算计为25kg/h)的供给速度伴随输送空气(供给速度:40~45m3/h)进行喷射。火焰的形成通过在双重管结构的燃烧器的出口设置几十个细孔,并从细孔喷射LPG(供给速度17m3/h)与氧(供给速度90m3/h)的混合气体而进行。由此形成球状的钛酸钡粒子。
(包含钛酸钡粒子的粉末的分级)
通过将包含燃烧炉中形成的钛酸钡粒子的粉末利用鼓风机进行抽吸而进行分级,分别利用燃烧炉、热交换器、旋风器和袋滤器捕集包含钛酸钡粒子的粉末。将所捕集的多个粉末中通过旋风器捕集所捕集的粉末作为比较例1的钛酸钡粉末。
<实施例1>
与比较例1同样地进行“钛酸钡粒子的形成”和“包含钛酸钡粒子的粉末的分级”后,对通过旋风器捕集所捕集的粉末进行煅烧处理。具体而言,将通过旋风器捕集所捕集的粉末8kg填充于莫来石匣钵,以3.3℃/min的升温速度升温至1000℃后,在1000℃煅烧6小时,由此得到实施例1的钛酸钡粉末。应予说明,煅烧后的冷却通过在炉内自然冷却而进行。
<实施例2~3和比较例2>
将煅烧时的温度变更为表1所示的温度,除此以外,与实施例1同样进行,尝试制作实施例2~3和比较例2的钛酸钡粉末。其结果,实施例2~3中能够得到钛酸钡粉末。另一方面,将煅烧温度设为1400℃的比较例2中,钛酸钡粒子烧结而未成为粉末状。因此,以下仅对实施例1~3和比较例1中得到的钛酸钡粉末实施分析和评价。
<分析和评价>
[真比重的测定]
利用株式会社Seishin企业制的Auto True Denser MAT-7000型测定实施例1~3和比较例1中得到的钛酸钡粉末的真比重。将结果示于表1。
[平均球形度的测定]
利用以下方法测定实施例1~3和比较例1中得到的钛酸钡粉末的平均球形度。首先,将钛酸钡粉末与乙醇混合,制备钛酸钡粉末的浓度为1质量%的浆料,使用BRANSON公司制“SONIFIER450(破碎探头3/4”实心型)”,以输出等级8进行2分钟分散处理。将得到的分散浆料利用滴管滴加于涂布有碳糊剂的试样台。在试样台上在大气中静置直至所滴加的浆料干燥为止,然后进行锇涂覆,将其利用日本电子株式会社制扫描式电子显微镜“JSM-6301F型”进行拍摄。以倍率3000倍进行拍摄,得到分辨率2048×1536像素的图像。将得到的图像读入拍摄计算机,使用MOUNTECH株式会社制的图像解析装置“MacView Ver.4”,并利用简单读取工具识别粒子。由粒子的投影面积(A)和周长(PM)求出200个所得到的任意投影面积圆当量直径2μm以上的粒子的球形度,将其平均值作为平均球形度。将结果示于表1。
[平均粒径的测定]
通过基于使用了Malvern公司制“Mastersizer 3000,安装湿式分散单元:HydroMV”的激光衍射光散射法的质量基准的粒度测定而求出实施例1~3和比较例1中得到的钛酸钡粉末的平均粒径(D50)。测定时,将钛酸钡粉末与水混合,使用TOMY精工株式会社制“超声波发生器UD-200(安装微量芯片TP-040)”施加200W的输出而对混合液进行2分钟分散处理作为前处理,然后,将分散处理后的混合液以激光散射强度成为10~15%的方式滴加于分散单元。分散单元搅拌器的搅拌速度为1750rpm,超声波模式为无。粒度分布的解析将粒径0.01~3500μm的范围分割成100份而进行。水的折射率使用1.33,钛酸钡的折射率使用2.40。将结果示于表1。
[正方晶率的测定]
使用BRUKER公司制D2 PHASER测定钛酸钡粉末的X射线衍射(XRD)图案,利用Rietveld法求出实施例1~3和比较例1中得到的钛酸钡粉末的正方晶率。XRD的测定条件如下。将结果示于表1。
-测定条件
·照射X射线源:Cu灯丝(0.4×12mm2)
·使用输出:30KV-10mA
·检测器:BRUKER公司制的LYNXEYE(1D半导体检测器)
·测定在2θ=20°~100°的范围以0.02°/step、0.6秒/step的条件进行。
[相对介电常数的测定]
使用KEYCOM株式会社制的粉体介电常数测定器“TM空腔谐振器”(圆柱空腔谐振法)测定实施例1~3和比较例1中得到的钛酸钡粉末的相对介电常数。将结果示于表1。
[表1]
如上述表1所示,实施例1~3中,钛酸钡粒子不会因煅烧而烧结,可得到平均球形度高、平均粒径小的钛酸钡粉末。另外,确认到相对于比较例1的钛酸钡粉末,进行了煅烧处理的实施例1~3的钛酸钡粉末具有更高的相对介电常数。
Claims (6)
1.一种钛酸钡系粉末的制造方法,包括如下工序:
工序a,通过将包含钛酸钡系化合物的原料喷射到加热至该化合物的熔点以上的高温场中而形成钛酸钡系粒子,以及
工序b,将包含所述工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末以700~1300℃加热。
2.根据权利要求1所述的钛酸钡系粉末的制造方法,其中,进一步包括工序c,其将包含所述工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末进行分级而得到平均粒径不同的多个粉末,
所述工序b中,使用所述工序c中得到的所述多个粉末中平均粒径为5.0μm以下、真比重为5.60~5.90g/cm3的粉末作为包含所述工序a中形成的钛酸钡系粒子的粉末。
3.一种钛酸钡系粉末,是包含钛酸钡系粒子的粉末,其在1GHz时的相对介电常数为200~330。
4.根据权利要求3所述的钛酸钡系粉末,其平均粒径为3.0~7.0μm。
5.根据权利要求3或4所述的钛酸钡系粉末,其平均球形度为0.80以上。
6.一种密封材料用填料,包含权利要求3~5中任一项所述的钛酸钡系粉末。
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