CN1653010A - Sbn玻璃陶瓷系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有aRO·bNb2O5·cSiO2·dB2O3·eTeO2·fX化学组成的玻璃陶瓷(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.60≥c≥0，0.70≥d≥0，0.70≥e≥0，c+d+e≥0.175，a+b+c+d+e＝1.0且0.10≥f＞0)。1kHz下的介电常数ε1与100kHz下的介电常数ε100之比(ε1/ε100)为10或更大。

Description

SBN玻璃陶瓷系统
技术领域
本发明涉及由化学组成aRO·bNb2O5·cSiO2·dB2O3·eTeO2·fX表示的SBN玻璃陶瓷系统(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物)。
背景技术
SBN(铌酸锶钡)是属于钨青铜型的铁电无机晶体，其具有接近室温的居里点。关于作为电材料的应用，由于SBN具有压电性能并且由于其铁电性能而具有热电性，且特别是压电性能显著，所以实际使用SBN作为表面声波材料。而且，由于SBN单晶透光，所以预计将其用于先进信息传输和处理周光电子材料。预计SBN会在宽广的应用范围中使用。
尽管SBN具有如上所述的优良特性，但只供应SBN单晶。因为单晶没有导致光和声子散射的孔，所以其具有高的介电性和光电子学性能。然而，制造单晶需要先进的技术，大量地制造单晶较困难，从而其不可避免的是高价的。
为了克服这些问题，开发了SBN陶瓷。S.B.Deshpande等人测量了SBN陶瓷的各种电性能，并获得了Sr/Ba比为0.50、介电常数ε1为1100(30℃)的陶瓷(J.Amer.Ceram.Soc.，75[9]2581-85(1992))。然而，陶瓷烧结体中的孔造成光和声子的散射以及其机械强度和电性能下降。
最近，玻璃陶瓷被认为是克服陶瓷缺陷的材料。通过使玻璃结晶制造玻璃陶瓷。目的是通过沉积晶体的尺寸和数量以及沉积晶体和玻璃基质的组合来控制力学性能、电磁性能、光学性能和热性能。然而，技术并未积累升高到可自由控制性能的水平。
在1964年，A.Herezog公开了作为试验的钛酸钡玻璃陶瓷的研究从而获得适用于铁电应用的玻璃陶瓷。公开的玻璃陶瓷由平均1微米或更小的介电晶体和玻璃基质组成。而且，尽管其含非常多的基质，但其不含微孔，不允许气体和液体通过，并具有大的介电常数。
而且，在2000年12月，Jiin-Jyh Shyu等人发表了公开了通过使22.5SrO-22.5BaO-20Nb2O5-35SiO2(mol％)的玻璃结晶制造SBN玻璃陶瓷的论文。其公开了，该玻璃陶瓷显示190(1kHz)的介电常数(J.Amer.Ceram.Soc.，83[12]3135-40(2000))。
本发明的目的是提供一种经济、介电常数和透明度极好的SBN(铌酸锶钡)玻璃陶瓷。
发明内容
本发明人关注作为SBN的玻璃陶瓷并对它进行了研究了，从而发现了没有微孔的、经济的高介电玻璃陶瓷的组成。因此，本发明人实现了本发明。
即，根据本发明的第一个方面，本发明的玻璃陶瓷具有aRO·bNb2O5·cSiO2·dB2O3·eTeO2·fX的化学组成式(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.6≥c≥0，0.70≥d≥0，0.70≥e≥0，c+d+e≥0.175，a+b+c+d+e＝1.0且0.10≥f＞0)。
优选的是化学组成式为aRO·bNb2O5·cSiO2·fX(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.60≥c≥0.30，a+b+c＝1.0且0.10≥f＞0)。
而且，根据本发明的第二方面，本发明的玻璃陶瓷包含选自二氧化硅、氧化硼和氧化碲中的两种或更多种玻璃形成体，其化学组成式为aRO·bNb2O5·cSiO2·dB2O3·eTeO2·fX(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.55≥c≥0，0.70≥d≥0，0.70≥e≥0，c+d+e≥0.175，a+b+c+d+e＝1.0且0.10≥f≥0)。
而且，根据本发明的第三个方面，本发明的玻璃陶瓷具有aRO·bNb2O5·dB2O3·fX的化学组成式(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.70≥d≥0.175，a+b+d＝1.0且0.10≥f≥0)。
而且，根据本发明的第四个方面，本发明的玻璃陶瓷具有aRO·bNb2O5·eTeO2·fX的化学组成式(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.70≥e≥0.35，a+b+e＝1.0且0.10≥f≥0)。
优选的是，在本发明的玻璃陶瓷中，1kHz下的介电常数ε1与100kHz下的介电常数ε100之比(ε1/ε100)为10或更大。
本发明的玻璃陶瓷具有aRO·bNb2O5·cSiO2·dB2O3·eTeO2·fX的化学组成式，其中a和b在a＞b≥0.05的范围内。当组成超出此范围时，不能获得透明的原始玻璃。
本文中，R表示Ba和/或Sr。当使Sr/Ba比升高时，居里点从约200℃持续下降至约25℃。介电常数在居里点下显示其最高值，介电常数随着温度远离居里点而下降。通过应用此关系，有可能在操作温度下控制介电常数。
根据本发明的玻璃陶瓷，形成玻璃网络的玻璃形成体材料优选为二氧化硅、氧化硼和氧化碲。
当使用二氧化硅作为玻璃形成体时，其具有耐水性和耐碱性优良的优点，同时具有形成玻璃的组成范围窄且熔点高的缺点。至于c的范围，0.60≥c≥0是优选的，0.60≥c≥0.30是更优选的，0.55≥c≥0.30是特别优选的。
当使用氧化硼作为玻璃形成体时，具有形成玻璃的组成范围宽和熔点低的优点，同时具有防潮性和耐化学性差的缺点。而且，在氧化硼浓度高的组合物中，可以获得透明的玻璃陶瓷。至于d的范围，0.70≥d≥0是优选的，且0.70≥d≥0.175是更优选的。
当使用氧化碲作为玻璃形成体时，与二氧化硅玻璃形成体相比，它可以在宽的范围内玻璃化。至于e的范围，0.70≥e≥0是优选的，且0.70≥e≥0.35是更优选的。
而且，混合这些玻璃形成体对于扩大形成玻璃的组成范围并提高性能是有效的。包含选自二氧化硅、氧化硼和氧化碲中两种或更多种玻璃形成体的玻璃陶瓷优选具有表示为aRO·bNb2O5·cSiO2·dB2O3·eTeO2·fX范围内的化学组成式(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，0.55≥c≥0，0.70≥d≥0，0.70≥e≥0，a+b+c+d+e＝1.0，c+d+e≥0.175，0.10≥f≥0)。
本发明的玻璃陶瓷优选含TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO作为晶核形成剂。至于f的范围，0.10≥f≥0是优选的，0.10≥f＞0是更优选的，0.05≥f＞0是特别优选的。
本发明玻璃陶瓷的介电常数优选具有高的频率相关性。具体地说，1kHz下的介电常数ε1与100kHz下的介电常数ε100之比(ε1/ε100)为10或更大是优选的。为了获得大的频率相关性，本发明的玻璃陶瓷优选具有满足0.32＜a、0.14＜b且0.42＜c的组成。
本发明玻璃陶瓷的介电损耗tanδ优选为1×10-2或更低，更优选为5×10-3或更低。
在制造本发明的玻璃陶瓷中，可以使用盐如氧化物、氢化物、碳酸盐、硝酸盐等、卤化物、硼酸盐等作为起始材料。熔化这些材料并骤冷而获得透明的原始玻璃，进行热处理以使SBN晶体沉积并生长，由此获得本发明的玻璃陶瓷。
在制造本发明的玻璃陶瓷中，优选的是，在硅酸盐玻璃系统的情况下，原始玻璃的熔化温度为1300℃或更高，在硼酸盐玻璃系统的情况下，为1100℃或更高，在氧化碲玻璃系统的情况下，为900℃或更高。熔化周期优选为30分钟或更长，且更优选为3小时或更长。
骤冷的原始玻璃容易含有热变形。为了除去该变形，优选地，退火原始玻璃。为了充分除去该变形，退火温度优选为500℃或更高，而且为了防止晶核沉积，优选为600℃或更低。退火周期优选为1小时或更长，且更优选为3小时或更长。
在制造本发明的玻璃陶瓷系统中，优选的是，在硅酸盐系统的情况下，结晶温度为800℃或更高，在碲盐系统的情况下，为450℃或更高，在硼酸盐系统的情况下，为500℃或更高。当结晶温度低于这些温度时，晶体不沉积。尽管结晶温度视目的而变化，但优选为1小时或更长，且更优选为3小时或更长。
附图简述
图1是说明本发明实施例1和对比例6的玻璃陶瓷中介电常数的频率相关性的图。
本发明的最佳实施方式
下面，将通过实施例和对比例而详细地说明本发明。
(介电常数的测量)
使样品形成为平行板，其两个平面都用Pt涂膜从而成为电极。用Wayne Kerr Inc.制造的B905型自动精密桥在室温下测量其介电常数。
(实施方案1)
组成：0.175SrO-0.175BaO-0.200Nb2O5-0.450SiO2-0.0005TiO2(摩尔比)
混合原材料(SrCO3、BaCO3、Nb2O5、SiO2和TiO2)至上述组成比。混合它们后，在石英坩埚中于1360℃的熔化温度下将其熔化2小时。将熔化的材料浇铸到铁浇铸板(iron casting board)中并退火，以获得透明原始玻璃。在600℃下退火该原始玻璃12小时，并在900℃下加热12小时，以获得白颜色的玻璃陶瓷。X射线衍射的结果表明是单相SBN。介电常数ε1为6480。而且，在0.1-10000kHz下测量的介电常数示于图1中。1kHz下的介电常数ε1与100kHz下的介电常数ε100之比(ε1/ε100)为16.5。介电损耗tanδ为1.9×10-4。根据光学玻璃化学耐久性的测量方法(粉末法，JOJIS)评价耐水性(RW(P))和耐酸性(RA(P))。这两者都被评为第一级。
(实施例2-5)
表1
组成：摩尔比 SrO     BaO    Nb2O5  SiO2   TiO2  ε1 ε1/ε100
    实施例2实施例3实施例4实施例5  0.175   0.175   0.200    0.450   0.001   90320.175   0.175   0.200    0.450   0.005   80330.175   0.175   0.200    0.450   0.01    40590.175   0.175   0.200    0.450   0.05    2941     25.122.516.111.3
通过实施例1的相似方法获得具有如表1所示组成的玻璃陶瓷。这些玻璃陶瓷的主晶相都是SBN。这些玻璃也显示了与实施例1的介电常数一样的大介电常数(ε1)。实施例2中的介电损耗tanδ为1.9×10-4，实施例3中为2.0×10-4，实施例4中为3.6×10-4，实施例5中为1.9×10-3。
(实施例6-10)
表2
组成：摩尔比   SrO     BaO     Nb2O5   SiO2    TiO2     ε1
    实施例6实施例7实施例8实施例9实施例10  0.0875  0.2625   0.200     0.450     0.0020.1750  0.1750   0.200     0.450     0.0020.2625  0.0875   0.200     0.450     0.0020.2800  0.0700   0.200     0.450     0.0020.3500    -      02.00     0.450     0.002     312591215176108
除了退火周期为5小时，结晶温度降低至800℃之外，通过实施例1的相似方法获得具有如表2所示组成的玻璃陶瓷。它们都含SBN晶相。
(实施例11-14)
表3
组成：摩尔比   SrO      BaO     Nb2O5  SiO2   B2O3   ε1
    实施例11实施例12实施例13实施例14  0.154    0.154    0.154    0.513    0.0260.162    0.162    0.162    0.432    0.0810.190    0.190    0.190    0.286    0.1430.188    0.188    0.188    0.188    0.250   116113118274
通过实施例1的相似方法获得具有如表3所示组成的玻璃陶瓷。它们都含SBN晶体。考虑到耐水性以及耐强碱性和耐强酸性，Si的存在提高了耐水性和耐碱性。
(实施例15-19)
表4
组成：摩尔比   SrO     BaO     Nb2O5  SiO2   B2O3   TiO2    ε1
  实施例15实施例16实施例17实施例18实施例19  0.263   0.088    0.200    0.450      -      0.0020.275   0.092    0.209    0.377    0.047    0.0020.278   0.093    0.212    0.358    0.060    0.0020.296   0.099    0.225    0.254    0.127    0.0020.316   0.105    0.241    0.135    0.203    0.002   108176121525831
将SrO/BaO组成比设置为约3，在SiO2/B2O3方面改变玻璃形成体的组成比，并加入特定量的晶核形成剂TiO2，以获得具有如表4所示组成的玻璃陶瓷。它们都含SBN晶相。与表3相比，介电常数ε1在中间的组成比处高。
(实施例20-22)
表5
组成：摩尔比   SrO     BaO    Nb2O5  SiO2   TiO2   ZnO     ZrO2     ε1
  实施例20实施例21实施例22  0.225   0.225   0.200    0.350    0.010    -        -0.175   0.175   0.200    0.450      -     0.0010.225   0.225   0.200    0.350      -             0.010     2156535195
获得具有如表5所示组成的玻璃陶瓷。证实了实施例20-22的所有玻璃陶瓷都含SBN晶相。
(实施例23)
0.195SrO-0.195BaO-0.320Nb2O5-0.290B2O3(摩尔比)
混合原材料(SrCO3、BaCO3、Nb2O5和H3BO3)至上述组成并混合。在石英坩埚中于1200℃的熔化温度下熔化这些材料2小时。将熔化的材料浇铸到铁浇铸板中并骤冷，以获得透明原始玻璃。在600℃下退火该原始玻璃12小时，并在800℃下加热24小时，以获得白颜色的玻璃陶瓷。X射线衍射的结果表明只有SBN晶相。介电常数ε1为150。
(实施例24-28)
表6
组成：摩尔比   SrO      BaO    Nb2O5  B2O3     ε1
    实施例24实施例25实施例26实施例27实施例28   0.110   0.110   0.220    0.5600.205   0.205   0.210    0.3800.305   0.305   0.180    0.2100.380   0.380   0.060    0.1800.250   0.250   0.060    0.440     50125171528
通过实施例23的相似方法获得具有如表6所示组成的玻璃陶瓷。证实了实施例24-28的所有玻璃陶瓷都含SBN晶相。
(实施例29)
以下将说明具有SBN晶相和高浓度硼酸盐玻璃形成体组成的透明玻璃陶瓷的实施方案。
组成：0.125SrO-0.125BaO-0.080Nb2O5-0.670B2O3(摩尔比)
混合原材料(SrCO3、BaCO3、Nb2O5和H3BO3)至上述组成并混合。在石英坩埚中于1200℃的熔化温度下熔化这些材料2小时。将熔化的材料浇铸到铁浇铸板中并骤冷，以获得透明原始玻璃。在500℃下退火该原始玻璃12小时，并分别在600℃、610℃、620℃和640℃下进行热处理12小时。
通过低于610℃或更低的热处理，固体变为趋向于白色的透明。X射线衍射的结果表明只有SBN晶体00n表面的衍射。至于在620℃和640℃的较高温度下的热处理结果，其大体是半透明的(translucent)。至于介电常数ε1的测量结果，透明原始玻璃的介电常数ε1为9.1，半透明玻璃陶瓷的介电常数ε1为14.1。
(实施例30)
组成：0.1505r0-0.150BaO-0.200Nb2O5-0.500TeO2(摩尔比)
混合原材料(SrCO3、BaCO3、Nb2O5和TeO2)至上述组成并混合。在石英坩埚中于1200℃的熔化温度下熔化这些材料2小时。将熔化的材料浇铸到铁浇铸板中并骤冷，以获得黄颜色的透明原始玻璃。在500℃下退火该原始玻璃12小时，并在700℃下加热12小时以使其结晶。通过结晶，玻璃变为带黄色的白色。至于晶体结构，观察到了作为单一相的SBN晶体。介电常数ε1为50。
(实施例31-35)
表7
组成：摩尔比   SrO       BaO     Nb2O5  TeO2     ε1
    实施例31实施例32实施例33实施例34实施例35   0.175    0.175    0.200    0.4500.250    0.250    0.100    0.4000.150    0.150    0.050    0.6500.100    0.100    0.100    0.7000.125    0.125    0.200    0.550     4125172043
通过实施例30的相似方法获得具有如表7所示组成的玻璃陶瓷。实施例31-35的所有玻璃陶瓷都包含SBN作为其主晶相。
(对比例1)硅酸盐系统
组成：0.100SrO-0.100BaO-0.200Nb2O5-0.600SiO2(摩尔比)
混合原材料(SrCO3、BaCO3、Nb2O5和SiO2)至上述组成比并混合。在石英坩埚中于1350℃的熔化温度下熔化这些材料2小时。将熔化的材料浇铸到铁浇铸板中并骤冷，以获得固体。通过X-射线衍射鉴别该固体，发现是SBN结晶材料。不可能制造出透明的原始玻璃。
(对比例2-4)硅酸盐系统
表8
组成：摩尔比   SrO      BaO    Nb2O5   SiO2
     对比例2对比例3对比例4   0.175   0.175   0.350     0.3000.185   0.185   0.030     0.6000.335   0.335   0.030     0.300
通过对比例1的相似方法，只是将对比例1的组成改变为如表8所示的组成，获得对比例2-4的固体。然而，这些固体全都是不透明的。不可能获得原始玻璃。
(对比例5)硅酸盐系统
组成：0.225SrO-0.225BaO-0.200Nb2O5-0.450SiO2(摩尔比)
通过对比例1的相似方法获得具有上述组成的透明原始玻璃。在900℃下使获得的玻璃结晶12小时。通过X-射线衍射评价其晶体结构，结果表明具有SBN单相。在1-100kHz下测量的介电常数的测量结果示于图1中。1kHz下的介电常数ε1为190，1kHz下的介电常数ε1与100kHz下的介电常数ε100之比(ε1/ε100)为1.08。在此范围内的频率下，介电常数仅稍微变化。
(对比例6)
组成：0.175SrO-0.175BaO-0.200Nb2O5-0.450SiO2(摩尔比)
通过对比例1的相似方法获得具有上述组成的透明原始玻璃。在600℃下使获得的玻璃结晶12小时。通过X-射线衍射评价其晶体结构，结果说明具有SBN单相。1kHz下的介电常数ε1为600，1kHz下的介电常数ε1与100kHz下的介电常数ε100之比(ε1/ε100)为2.0。介电常数在此范围内的频率下的变化很小(图1)。
(对比例7)硼酸盐系统
组成：0.075SrO-0.075BaO-0.150Nb2O5-0.700B2O3(摩尔比)
混合原材料(SrCO3、BaCO3、Nb2O5和H3BO3)至上述组成比并混合。在石英坩埚中于1200℃的熔化温度下熔化这些材料2小时。将熔化的材料浇铸到铁浇铸板中并骤冷，因此获得固体。
通过X-射线衍射鉴别该固体，发现该固体是SBN结晶材料。不可能制造出玻璃陶瓷的原始玻璃。
(对比例8-10)硼酸盐系统
表9
组成：摩尔比   SrO      BaO    Nb2O5  H3BO3
    对比例8对比例9对比例10   0.200   0.200   0.400     0.2000.135   0.135   0.030     0.7000.385   0.385   0.030     0.200
通过对比例5的相似方法获得具有如表9所示组成的对比例6-8的固体。然而，与对比例5一样，不可能获得原始玻璃。
(对比例11)碲盐系统
组成：0.075SrO-0.075BaO-0.150Nb2O5-0.700TeO2(摩尔比)
混合原材料(SrCO3、BaCO3、Nb2O5和TeO2)至上述组成比并混合。在石英坩埚中于1000℃的熔化温度下熔化这些材料1小时。将熔化的材料浇铸到铁浇铸板中并骤冷，以获得黄颜色的固体。
通过X-射线衍射鉴别该黄颜色的固体，发现其是SBN结晶材料。因此，不可能获得原始玻璃。
(对比例12-14)碲盐系统
表10
组成：摩尔比   SrO       BaO     Nb2O5  TeO2
    对比例12对比例13对比例14   0.165    0.165    0.330    0.3400.135    0.135    0.030    0.7000.315    0.315    0.030    0.340
除对比例12和14中的熔化温度为1200℃，对比例13中的为1000℃之外，通过与对比例11相似的方法获得具有如表10所示组成的对比例12-14的固体。然而，不可能获得原始玻璃。
(对比例15-17)碲盐系统
表11
组成：摩尔比   SrO      BaO    Nb2O5   TeO2
    对比例15对比例16对比例17   0.075   0.075   0.200     0.6500.050   0.050   0.200     0.7000.050   0.050   0.250     0.650
通过与对比例11相似的方法获得具有如表11所示组成的对比例15-17的玻璃。更高浓度的TeO2使玻璃的颜色变得更深。在700℃使获得的玻璃结晶12小时，并通过X射线衍射评价其晶体结构。然而，它们不是SBN。
工业实用性
预计本发明的玻璃陶瓷可用于各种聚光器(condenser)材料、电容器用材料、90°相移器、高频噪声测量用材料、压电振动器、表面声波材料(SAW过滤器)等。

Claims (6)

1.一种玻璃陶瓷，其具有aRO·bNb2O5·cSiO2·dB2O3·eTeO2·fX的化学组成(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.60≥c≥0，0.70≥d≥0，0.70≥e≥0，c+d+e≥0.175，a+b+c+d+e＝1.0且0.10≥f＞0)。
2.如权利要求1所述的玻璃陶瓷，其中其化学组成为aRO·bNb2O5·cSiO2·fX(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.60≥c≥0.30，a+b+c＝1.0且0.10≥f＞0)。
3.一种玻璃陶瓷，其包含选自二氧化硅、氧化硼和氧化碲中的两种或更多种玻璃形成体，该玻璃陶瓷具有aRO·bNb2O5·cSiO2·dB2O3·eTeO2·fX的化学组成(其中，R表示Ba和/或Sr、X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.55≥c≥0，0.70≥d≥0，0.70≥e≥0，c+d+e≥0.175，a+b+c+d+e＝1.0且0.10≥f≥0)。
4.一种玻璃陶瓷，其具有aRO·bNb2O5·dB2O3·fX的化学组成(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.70≥d≥0.175，a+b+d＝1.0且0.10≥f≥0)。
5.一种玻璃陶瓷，其具有aRO·bNb2O5·eTeO2·fX的化学组成(其中，R表示Ba和/或Sr，X表示选自TiO2、ZrO2、P2O5和ZnO中的一种或多种氧化物，a＞b≥0.05，0.70≥e≥0.35，a+b+e＝1.0且0.10≥f≥0)。
6.如权利要求1-5任一项所述的玻璃陶瓷，其中1kHz下的介电常数ε1与100kHz下的介电常数ε100之比(ε1/ε100)为10或更大。
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