JP5128782B2 - Method for manufacturing dielectric ceramics - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼合成法により得られ、誘電特性に優れる所定組成を有する酸化物系の誘電体セラミックスおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to an oxide-based dielectric ceramic obtained by a combustion synthesis method and having a predetermined composition excellent in dielectric characteristics, and a method for producing the same.
近年、移動電話や衛星通信等の高周波通信技術の著しい発展に伴い、誘電体共振器、フィルター等の高周波デバイス用の誘電体セラミックスに対する需要はますます増えている。通信信号の周波数および通信機の大きさは、例えば通信機内部に組み込まれたアンテナ基板の比誘電率が高くなると、より一層の高周波化および小型化が図れる。比誘電率は、誘電体内部の分極の程度を示すパラメータであり、アンテナ材料に用いられる誘電体セラミックスの比誘電率が高いほど、電子部品回路を伝播する信号の波長は短くなり、信号は高周波化する。従って、比誘電率の高い電子部品を使用できれば、高周波化ひいては回路の短縮化および通信機等の小型化が図れる。また上記のようなデバイスに用いられる誘電体セラミックスに対しては、低い誘電損失および良好な温度安定性も同時に要求される。 In recent years, with the remarkable development of high-frequency communication technology such as mobile phone and satellite communication, the demand for dielectric ceramics for high-frequency devices such as dielectric resonators and filters is increasing. As for the frequency of the communication signal and the size of the communication device, for example, when the relative dielectric constant of the antenna substrate incorporated in the communication device is increased, the frequency and size can be further reduced. The relative permittivity is a parameter indicating the degree of polarization inside the dielectric. The higher the relative permittivity of the dielectric ceramic used in the antenna material, the shorter the wavelength of the signal propagating through the electronic component circuit, and the higher the signal Turn into. Therefore, if an electronic component having a high relative dielectric constant can be used, the frequency can be increased, the circuit can be shortened, and the communication device can be downsized. Moreover, low dielectric loss and good temperature stability are required at the same time for dielectric ceramics used in the above devices.
従来、低い誘電損失および良好な温度安定性を同時に有する誘電体セラミックスとして、BaO−Re2O3−TiO2系(Re:希土類元素、以下に同じ)の誘電体が知られており(例えば特許文献1、特許文献2参照)、多種の用途に使用されている。これらは、常誘電相をベースとすることで、誘電損失を低く抑えている。
しかしながら、これらの誘電体セラミックスの比誘電率は 80〜90 程度であり、上述した近年の用途に対応するためには必ずしも十分でなく、例えば比誘電率が 120 程度の高誘電性を有する誘電体の開発が望まれている。
Conventionally, BaO—Re 2 O 3 —TiO 2 (Re: rare earth element, the same applies hereinafter) dielectric is known as a dielectric ceramic having both low dielectric loss and good temperature stability (for example, patents). It is used for various applications. These are based on the paraelectric phase to keep the dielectric loss low.
However, these dielectric ceramics have a relative dielectric constant of about 80 to 90, which is not necessarily sufficient to cope with the above-described recent applications. For example, a dielectric having a high dielectric constant with a relative dielectric constant of about 120 Development is desired.
また、従来の上記のような誘電体セラミックスの合成には、1000℃から 2000℃前後に加熱できる炉を用いて長時間、外部加熱を行なわなくてはならない。このため、セラミックスの合成には、膨大なエネルギーと大型の加熱機構を必要とし、このため製造コストが高くなるという問題がある。
本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、燃焼合成法により得られ比誘電率 95 以上の優れた誘電特性を有する誘電体セラミックスおよびその製造方法の提供を目的とする。 The present invention has been made to address such problems, and an object of the present invention is to provide dielectric ceramics obtained by a combustion synthesis method and having excellent dielectric characteristics with a relative dielectric constant of 95 or more, and a method for producing the same.
本発明の誘電体セラミックスは、少なくともCa、Ti、O、Re(希土類元素)を構成元素として含み、燃焼合成法により得られる誘電体セラミックスであって、上記誘電体セラミックスは、モル組成比でCaO:( 26 − x)、SrO:x 、Re2O3:8、TiO2:y( 0≦x≦26 , 40≦y≦60 )であることを特徴とする。
また、上記誘電体セラミックスは、比表面積が 0.01〜2 m2/g のTi粉末と、酸素供給源となるイオン結合性物質と、TiO2と、CaCO3と、SrCO3と、Re2O3とを少なくとも含む反応原料においてそれぞれの粉末を、該誘電体セラミックスが上記モル組成比となる割合で配合し、断熱火炎温度が 1500℃以上である燃焼合成法により得られることを特徴とする。
なお、各元素記号は、それぞれSr(ストロンチウム)、Ca(カルシウム)、Ti(チタン)、O(酸素)、Nd(ネオジム)、Zr(ジルコニウム)である。
The dielectric ceramic of the present invention is a dielectric ceramic obtained by a combustion synthesis method containing at least Ca, Ti, O, and Re (rare earth elements) as constituent elements, and the dielectric ceramic is CaO in molar composition ratio. : (26−x), SrO: x, Re 2 O 3 : 8, TiO 2 : y (0 ≦ x ≦ 26, 40 ≦ y ≦ 60).
The dielectric ceramic is composed of Ti powder having a specific surface area of 0.01 to 2 m 2 / g, an ion-binding substance serving as an oxygen supply source, TiO 2 , CaCO 3 , SrCO 3 , and Re 2 O 3. In the reaction raw material containing at least the above, each powder is blended in such a ratio that the dielectric ceramic has the above molar composition ratio, and obtained by a combustion synthesis method in which the adiabatic flame temperature is 1500 ° C. or higher.
The element symbols are Sr (strontium), Ca (calcium), Ti (titanium), O (oxygen), Nd (neodymium), and Zr (zirconium), respectively.
上記Re2O3は、Nd2O3であることを特徴とする。
また、上記反応原料に、BaO2と、ZrO2とが含まれることを特徴とする。
また、上記反応原料であるTi粉末の一部を、TiO2 粉末に置き換えて配合することを特徴とする。
The Re 2 O 3 is Nd 2 O 3 .
Further, the reaction raw material contains BaO 2 and ZrO 2 .
In addition, a part of the Ti powder as the reaction raw material is replaced with TiO 2 powder and blended.
本発明の誘電体セラミックスの製造方法は、少なくともCa、Ti、O、Re(希土類元素)を構成元素として含む誘電体セラミックスの製造方法であって、反応原料粉末として少なくとも、比表面積が 0.01〜2 m2/g のTi粉末と、酸素供給源となるイオン結合性物質と、TiO2と、CaCO3と、SrCO3と、Re2O3とを、得られる誘電体セラミックスがモル組成比でCaO:( 26 − x)、SrO:x 、Re2O3:8、TiO2:y( 0≦x≦26 , 40≦y≦60 )となる割合で配合する工程と、上記所定割合で配合された配合物を、断熱火炎温度が 1500℃以上である燃焼合成法により反応させる工程と、上記燃焼合成反応により得られた反応生成物を粉砕する工程と、上記粉砕された粉末を水で洗浄する工程とを備えることを特徴とする。 The dielectric ceramic production method of the present invention is a dielectric ceramic production method containing at least Ca, Ti, O, and Re (rare earth elements) as constituent elements, and has a specific surface area of 0.01 to 2 as a reaction raw material powder. m 2 / g Ti powder, an ion-binding substance serving as an oxygen source, TiO 2 , CaCO 3 , SrCO 3 , and Re 2 O 3 , and the resulting dielectric ceramic is CaO in molar composition ratio. : (26−x), SrO: x, Re 2 O 3 : 8, TiO 2 : y (0 ≦ x ≦ 26, 40 ≦ y ≦ 60) The step of reacting the blended product by a combustion synthesis method with an adiabatic flame temperature of 1500 ° C. or higher, the step of pulverizing the reaction product obtained by the combustion synthesis reaction, and washing the pulverized powder with water And a process.
本発明の誘電体セラミックス(少なくともCa、Ti、O、Re(希土類元素)を構成元素として含む)は、燃焼合成法により得られ、モル組成比でCaO:( 26 − x)、SrO:x 、Re2O3:8、TiO2:y( 0≦x≦26 , 40≦y≦60 )であるので、比誘電率が高く誘電特性に優れる。また、燃焼合成法で合成されるので、従来の外部加熱を行なう方法と比較して、低コスト、短時間で製造でき、低コストである。 The dielectric ceramic of the present invention (containing at least Ca, Ti, O, and Re (rare earth elements) as constituent elements) is obtained by a combustion synthesis method, and has a molar composition ratio of CaO: (26−x), SrO: x, Since Re 2 O 3 : 8 and TiO 2 : y (0 ≦ x ≦ 26, 40 ≦ y ≦ 60), the relative dielectric constant is high and the dielectric properties are excellent. Moreover, since it synthesize | combines by a combustion synthesis method, compared with the method of performing the conventional external heating, it can manufacture at low cost and a short time, and is low cost.
燃焼合成反応時において、Ti粉末の一部をTiO2 粉末に置き換えて配合するので、混合時に爆発や発火の危険性がなく、置き換えられたTiO2粉末が燃焼合成反応において、反応希釈剤として作用するため断熱火炎温度の制御が容易になる。 At the time of combustion synthesis reaction, a part of Ti powder is replaced with TiO 2 powder, so there is no risk of explosion or ignition during mixing, and the replaced TiO 2 powder acts as a reaction diluent in the combustion synthesis reaction. Therefore, the control of the adiabatic flame temperature becomes easy.
本発明の誘電体セラミックスの製造方法は、各反応原料粉末の配合割合を、誘電特性に優れる所定組成となるように決定するので、不純物が少なく優れた誘電特性を有する誘電体セラミックスを得ることができる。また、合成粉末を微粉化した後、水で洗浄することで十分な副生成物の除去が可能となるので、理論密度に近い焼結体が得られる。 The dielectric ceramic manufacturing method of the present invention determines the blending ratio of each reaction raw material powder so as to have a predetermined composition excellent in dielectric characteristics, so that a dielectric ceramic having excellent dielectric characteristics with few impurities can be obtained. it can. Moreover, since the by-products can be sufficiently removed by pulverizing the synthetic powder and then washing with water, a sintered body close to the theoretical density can be obtained.
本発明の誘電体セラミックスは、少なくともCa、Ti、O、Re(希土類元素)を、必要に応じてBaおよびZrを構成元素として含む、CaO−SrO−Re2O3−BaO−ZrO2−TiO2系の誘電体セラミックスであり、燃焼合成法により得られる。本発明の誘電体セラミックスは、そのモル組成比をCaO:( 26 − x)、SrO:x 、Re2O3:8、TiO2:y( 0≦x≦26 , 40≦y≦60 )とすることで、優れた誘電特性を有している。
燃焼合成法としては、比表面積が 0.01〜2 m2/g のTi粉末と、酸素供給源となるイオン結合性物質と、TiO2と、CaCO3と、SrCO3と、Re2O3とを少なくとも含む反応原料においてそれぞれの粉末を、該誘電体セラミックスが上記モル組成比となる割合で配合し、断熱火炎温度が 1500℃以上である燃焼合成反応を行なう方法が挙げられる。
The dielectric ceramic of the present invention includes at least Ca, Ti, O, and Re (rare earth elements), and if necessary, Ba and Zr as constituent elements, CaO—SrO—Re 2 O 3 —BaO—ZrO 2 —TiO. It is a two- system dielectric ceramic and can be obtained by combustion synthesis. The dielectric ceramic of the present invention has a molar composition ratio of CaO: (26−x), SrO: x, Re 2 O 3 : 8, TiO 2 : y (0 ≦ x ≦ 26, 40 ≦ y ≦ 60). By doing so, it has excellent dielectric properties.
As a combustion synthesis method, Ti powder having a specific surface area of 0.01 to 2 m 2 / g, an ion-binding substance serving as an oxygen supply source, TiO 2 , CaCO 3 , SrCO 3 , and Re 2 O 3 are used. Examples include a method of blending each powder in a reaction raw material at least in such a proportion that the dielectric ceramics has the above molar composition ratio and performing a combustion synthesis reaction in which the adiabatic flame temperature is 1500 ° C. or higher.
本発明に用いるTi粉末は、微粉末であることが好ましく、比表面積が 0.01〜2 m2/g である。燃焼波が伝播し、かつ取り扱いやすい好ましい比表面積の範囲は 0.1〜0.6 m2/g である。比表面積が 0.01 m2/g 未満の場合、発熱源となる金属粉未と酸素供給源となる過酸化物との接触面積が少ないため、燃焼波が伝播せず、誘電体セラミックスが合成できない場合がある。また、比表面積が 2 m2/g をこえる金属粉未は極めて活性であり、取り扱いが困難となるため好ましくない。また、Ti粉末に代えて水素化Ti粉末を使用することもできる。本発明において、金属粉未の比表面積は、BET法により測定された値をいう。 The Ti powder used in the present invention is preferably a fine powder and has a specific surface area of 0.01 to 2 m 2 / g. A preferable specific surface area in which combustion waves propagate and is easy to handle is 0.1 to 0.6 m 2 / g. When the specific surface area is less than 0.01 m 2 / g, the contact area between the metal powder that is the heat source and the peroxide that is the oxygen supply source is small, so the combustion wave does not propagate and the dielectric ceramics cannot be synthesized. There is. In addition, metal powders having a specific surface area exceeding 2 m 2 / g are not preferable because they are extremely active and difficult to handle. Moreover, it can replace with Ti powder and can also use hydrogenated Ti powder. In the present invention, the specific surface area of the metal powder is a value measured by the BET method.
本発明に用いるTi粉末は平均粒子径が同一であっても、比表面積が異なると反応性に差が認められた。すなわち、球状よりも比表面積が大きくなる形状の金属粉末を用いると燃焼合成反応がより速やかに進行した。比表面積が大きくなる形状としては、球状粒子表面に複数の凹凸が形成された粒子、粒子全体としていびつな形状の粒子、またはこれらの組み合わせがある。
本発明に使用できる平均粒子径としては 150μm 以下、好ましくは 0.1〜100μm である。150μm をこえると、他の原材料との混合が十分でなくなり、燃焼波が伝播しない場合が生じる。表面に凹凸が形成された粒子またはいびつな形状の平均粒子径の測定方法は、画像解析法が好ましい。
Even when the average particle diameter of the Ti powder used in the present invention was the same, a difference in reactivity was recognized when the specific surface area was different. That is, when a metal powder having a specific surface area larger than that of a spherical shape was used, the combustion synthesis reaction proceeded more rapidly. As the shape having a large specific surface area, there are a particle having a plurality of irregularities formed on the surface of a spherical particle, a particle having an irregular shape as a whole, or a combination thereof.
The average particle size that can be used in the present invention is 150 μm or less, preferably 0.1 to 100 μm. If it exceeds 150 μm, mixing with other raw materials will be insufficient, and combustion waves may not propagate. An image analysis method is preferable as a method for measuring the average particle diameter of particles having irregularities formed on the surface or an irregular shape.
また、Ti粉末の一部を置き換えて配合することができるTiO2 粉末は、燃焼合成反応において反応希釈剤として働き、TiO2 粉末の配合量を調整することで断熱火炎温度を制御できる。具体的には、TiO2 の配合割合を上げると、反応の進行速度が低下し、断熱火炎温度が下がる。
また、一般に金属単体とするためには精製が必要であり、例えば、Ti粉末はコストが高いので、該Ti粉末とTiO2 粉末とを併用することにより、コスト削減を図れるという効果も有する。
ただし、該TiO2 粉末を多量に使用すると、反応生成物への不純物の混入のおそれがあり、また、後述の実施例等に示すように所定量をこえて使用すると燃焼波が伝播しなくなるので、コスト面、反応に必要な断熱火炎温度等を考慮して、併用することが好ましい。
Further, the TiO 2 powder that can be blended by replacing a part of the Ti powder acts as a reaction diluent in the combustion synthesis reaction, and the adiabatic flame temperature can be controlled by adjusting the blending amount of the TiO 2 powder. Specifically, when the blending ratio of TiO 2 is increased, the reaction progress rate is lowered and the adiabatic flame temperature is lowered.
Further, purification is generally required to form a single metal. For example, since Ti powder is expensive, there is an effect that cost reduction can be achieved by using the Ti powder and TiO 2 powder in combination.
However, if a large amount of the TiO 2 powder is used, impurities may be mixed into the reaction product, and if it is used in excess of a predetermined amount as shown in the examples and the like described later, the combustion wave will not propagate. In consideration of the cost and the adiabatic flame temperature required for the reaction, it is preferable to use them in combination.
本発明の誘電体セラミックスの一部を構成するTiは、上記のTi金属粉末およびTiO2 粉末から供給される。合成時における、これらの粉末の配合量は、上記モル組成比に従い決定され、yは50が最適である。 Ti constituting a part of the dielectric ceramic of the present invention is supplied from the Ti metal powder and the TiO 2 powder. The blending amount of these powders at the time of synthesis is determined according to the above molar composition ratio, and y is optimally 50.
本発明に用いる酸素供給源となる物質としては、加熱により酸素を発生させるイオン結合性物質が配合される。該イオン結合性物質としては、KClO3、NaClO3、NH4ClO3等の塩素酸塩類、KClO4、NaClO4、NH4ClO4等の過塩素酸塩類、NaClO2などの亜塩素酸塩類、KBrO3などの臭素酸塩類、KNO3、NaNO3、NH4NO3等の硝酸塩類、NaIO3、KIO3等のよう素酸塩類、KMnO4、NaMnO4・3H2Oの過マンガン酸塩類、K2Cr2O7、(NH4)2Cr2O7等の重クロム酸塩類、NaIO4などの過よう素酸塩類、HIO4・2H2Oなどの過よう素酸類、CrO3などのクロム酸類、NaNO2などの亜硝酸塩類等が挙げられる。
これらの中で過塩素酸塩類、塩素酸塩類、亜塩素酸塩類が好ましく、繰り返し純水で洗浄することで副生成物であるNaCl、KClを除去できるNaClO4、KClO4を用いることがより好ましい。さらにコストの面で有利なNaClO4を用いることが特に好ましい。なお、過塩素酸塩類の場合、生成する炭酸ガスがガス化するため、合成粉末には残存しない。
As the substance serving as the oxygen supply source used in the present invention, an ion-binding substance that generates oxygen by heating is blended. Examples of the ion binding substance include chlorates such as KClO 3 , NaClO 3 and NH 4 ClO 3 , perchlorates such as KClO 4 , NaClO 4 and NH 4 ClO 4 , and chlorites such as NaClO 2 , Bromates such as KBrO 3 , nitrates such as KNO 3 , NaNO 3 and NH 4 NO 3 , iodates such as NaIO 3 and KIO 3 , permanganates such as KMnO 4 and NaMnO 4 .3H 2 O, Dichromates such as K 2 Cr 2 O 7 , (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 , Periodates such as NaIO 4 , Periodic acids such as HIO 4 · 2H 2 O, CrO 3, etc. Examples thereof include chromic acids and nitrites such as NaNO 2 .
Among these, perchlorates, chlorates and chlorites are preferable, and it is more preferable to use NaClO 4 and KClO 4 which can remove by-products NaCl and KCl by repeatedly washing with pure water. . Further, it is particularly preferable to use NaClO 4 which is advantageous in terms of cost. In the case of perchlorates, the generated carbon dioxide gasifies, so it does not remain in the synthetic powder.
本発明において配合する上記イオン結合性物質は、分子内部から放出できる酸素原子により、酸化されていないTi金属を酸化してTiO2 にすることができる量(最低必要量)以上を配合する。 The ion binding substance to be blended in the present invention is blended in an amount (minimum necessary amount) or more that can oxidize unoxidized Ti metal to TiO 2 by oxygen atoms that can be released from the inside of the molecule.
本発明の誘電体セラミックスの一部を構成するSr供給源としてはSrCO3 粉末を、Ca供給源としてはCaCO3 粉末をそれぞれ用いる。これら金属炭酸塩を用いることにより取り扱い性に優れる。
合成時における、これらの金属炭酸塩粉末の配合量は、上記モル組成比に従い決定される。すなわち、例えばTiO2を 40〜60 モル配合する場合は、CaCO3と、SrCO3 粉末との合計量で 26 モル配合する。ここで、CaCO3の配合量を( 26−x)モル( 0≦x≦26 )とすると、各種誘電特性に優れることから xは 6〜24 であることが好ましく、最も好ましくはx=8 である。
SrCO 3 powder is used as the Sr supply source constituting a part of the dielectric ceramic of the present invention, and CaCO 3 powder is used as the Ca supply source. By using these metal carbonates, the handleability is excellent.
The compounding amount of these metal carbonate powders at the time of synthesis is determined according to the molar composition ratio. That is, for example, when 40 to 60 mol of TiO 2 is blended, 26 mol is blended in the total amount of CaCO 3 and SrCO 3 powder. Here, when the amount of CaCO 3 is (26−x) mol (0 ≦ x ≦ 26), x is preferably 6 to 24, and most preferably x = 8, because various dielectric properties are excellent. is there.
希土類元素Reの供給源としては、希土類元素の酸化物(Re2O3 )粉末を使用する。Reとしては、Nd(ネオジム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ルテチウム)が挙げられる。これらの中で工業的に特に重要となるのは、La、Pr、Nd、Sm等である。
また、本発明の誘電体セラミックスにおけるReは、上記希土類元素が1種単独であっても、2種以上を混合したものであってもよい。誘電特性の改善効果が大きいことから、少なくともNdは含まれることが好ましい。
As a source of rare earth element Re, rare earth element oxide (Re 2 O 3 ) powder is used. As Re, Nd (neodymium), Y (yttrium), La (lanthanum), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Tb (Terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (ytterbium), Lu (lutetium). Of these, La, Pr, Nd, Sm and the like are particularly important industrially.
Further, Re in the dielectric ceramic of the present invention may be a single rare earth element or a mixture of two or more rare earth elements. It is preferable that at least Nd is included since the effect of improving the dielectric characteristics is great.
合成時における、これらのRe2O3 粉末の配合量は、上記モル組成比に従い決定される。すなわち、例えばTiO2を 40〜60 モル配合する場合は、Re2O3 粉末は、8 モル配合する。2種以上の希土類酸化物を用いる場合には、合計量で 8 モル配合する。 The compounding amount of these Re 2 O 3 powders at the time of synthesis is determined according to the molar composition ratio. That is, for example, when 40 to 60 mol of TiO 2 is blended, 8 mol of Re 2 O 3 powder is blended. When two or more rare earth oxides are used, the total amount is 8 moles.
また、本発明の誘電体セラミックスは、その構成元素としてBaおよびZrを微量含むことが好ましい。Ba、Zr元素を微量配合することにより、骨格となるCa、Srの位置にイオン半径の大きいBaが入り込むため、比誘電率は大きくなる。Tiよりもイオン半径の大きいZrを微量配合すると、格子間隔が広がり、比誘電率が向上する。
このBa供給源としては、BaO2を、Zr供給源としてはZrO2をそれぞれ用いる。BaO2粉末は過酸化物であり、Ba供給源であると同時に酸素供給源でもある。
合成時における、これらの微量元素源となる各粉末の配合量は、例えばTiO2を 40〜60 モル配合する場合は、それぞれ 0.01〜5 モル配合する。より好ましくは、それぞれ0.2モル配合する。
The dielectric ceramic of the present invention preferably contains a trace amount of Ba and Zr as its constituent elements. By mixing a small amount of Ba and Zr elements, Ba having a large ionic radius enters the position of Ca and Sr serving as the skeleton, so that the relative dielectric constant increases. When a small amount of Zr having an ionic radius larger than that of Ti is added, the lattice spacing is increased and the relative dielectric constant is improved.
BaO 2 is used as the Ba supply source, and ZrO 2 is used as the Zr supply source. BaO 2 powder is a peroxide and is an oxygen source as well as a Ba source.
The compounding amount of each of these powders that are the source of trace elements at the time of synthesis is, for example, 0.01 to 5 mol when TiO 2 is compounded in an amount of 40 to 60 mol. More preferably, 0.2 mol each is blended.
本発明の誘電体セラミックスの最適組成は、モル組成比でCaO:18、SrO:8、Re2O3:8、TiO2:50、BaO:0.2、ZrO2:0.2 である。該最適組成とする場合の各反応原料は、CaCO3:SrCO3:Re2O3:TiO2:BaCO3:ZrO2=18:8:8:50:0.2:0.2 のモル比で配合する。なお、NaClO4等のイオン結合性物質は最低必要量以上を適量配合する。 The optimum composition of the dielectric ceramic of the present invention is CaO: 18, SrO: 8, Re 2 O 3 : 8, TiO 2 : 50, BaO: 0.2, ZrO 2 : 0.2 in molar composition ratios. Each reaction raw material in the case of the optimum composition is blended at a molar ratio of CaCO 3 : SrCO 3 : Re 2 O 3 : TiO 2 : BaCO 3 : ZrO 2 = 18: 8: 8: 50: 0.2: 0.2. It should be noted that an appropriate amount of an ion-binding substance such as NaClO 4 is blended in the minimum necessary amount or more.
上記反応原料をそれぞれ所定割合で配合する工程において、過塩素酸ナトリウム等と、Ti粉末とを直接接触させると発火、爆発等の危険がある。よって、Ti粉末は予め安定な金属炭酸塩(CaCO3、SrCO3 等)と予備混合して安定な中間原料とした後、過塩素酸ナトリウム等と混合することが好ましい。
上記予備混合に用いる撹拌機は、タンブラー、ヘンシェルミキサ、ボールミル、乳鉢と乳棒等を用いた混合等特に制限されることなく使用できる。また、得られた中間原料に、過塩素酸ナトリウム等を加えての混合に用いる撹拌機は、撹拌翼と撹拌機壁面とのクリアランスが十分にあり、Ti粉末と、過塩素酸ナトリウム等とに撹拌によるせん断力の加わることの少ないヘンシェルミキサや撹拌翼のないボールミル等を使用することが好ましい。
In the step of blending the above reaction raw materials in a predetermined ratio, if sodium perchlorate or the like and Ti powder are brought into direct contact, there is a risk of ignition, explosion, or the like. Therefore, the Ti powder is preferably preliminarily mixed with a stable metal carbonate (CaCO 3 , SrCO 3, etc.) to form a stable intermediate material, and then mixed with sodium perchlorate or the like.
The stirrer used for the preliminary mixing can be used without particular limitation, such as mixing using a tumbler, Henschel mixer, ball mill, mortar and pestle. Moreover, the stirrer used for mixing by adding sodium perchlorate or the like to the obtained intermediate raw material has sufficient clearance between the stirrer blade and the stirrer wall surface, so that Ti powder, sodium perchlorate, etc. It is preferable to use a Henschel mixer to which a shearing force is not applied by stirring, a ball mill without stirring blades, or the like.
混合粉末は、るつぼに投入して燃焼合成を行なうが、そのるつぼの材質としては好ましくは非酸化物である炭素(C)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素Si3N4 等が使用できる。これらの中で炭素(C)材が反応容器材料としての熱伝導性と形状加工性とに優れているので好ましい。
混合粉末をるつぼへ投入する方法としては、混合粉末をパウダーベット状に敷き詰めたり、敷き詰めた後圧縮したり、ペレット状に押し固めたものをるつぼへ投入する方法等が使用できる。
The mixed powder is put into a crucible and subjected to combustion synthesis. The material of the crucible is preferably a non-oxide such as carbon (C), silicon carbide (SiC), silicon nitride Si 3 N 4 or the like. Among these, a carbon (C) material is preferable because it is excellent in thermal conductivity and shape workability as a reaction vessel material.
As a method for charging the mixed powder into the crucible, there can be used a method in which the mixed powder is spread in the form of a powder bed, compressed after being spread, or a powder that has been pressed and consolidated into a crucible.
上記所定割合で配合された配合物を燃焼合成法により反応させる。燃焼合成法の条件について、反応系の断熱火炎温度は 1500℃以上である。1500℃以上であれば、燃焼波が伝播するからである。
燃焼合成はチャンバー内で行なうが、その雰囲気としては、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)等の希ガス雰囲気が好ましい。なお、反応生成物の誘電特性を劣化させなければ、窒素ガス、炭酸ガス雰囲気等を利用することも可能である。また、酸素分圧を制御可能であれば、酸素ガスを使用することも可能である。
燃焼合成を開始させるための混合粉末への着火方法は、金属粉が着火発熱可能となる方法であれば特に限定されない。カーボンフイルムを着火発熱させて熱源とし、混合粉末に接触させて着火発熱させる方法が取り扱いに優れているので好ましい。燃焼合成反応は、約 1〜60 秒で終了する。
The mixture blended at the predetermined ratio is reacted by the combustion synthesis method. Regarding the conditions of the combustion synthesis method, the adiabatic flame temperature of the reaction system is 1500 ° C or higher. This is because the combustion wave propagates at 1500 ° C. or higher.
Combustion synthesis is performed in a chamber, and the atmosphere is preferably a rare gas atmosphere such as helium (He), neon (Ne), argon (Ar), or krypton (Kr). Note that a nitrogen gas, carbon dioxide atmosphere, or the like can be used as long as the dielectric properties of the reaction product are not deteriorated. Also, oxygen gas can be used if the oxygen partial pressure can be controlled.
The method for igniting the mixed powder for initiating combustion synthesis is not particularly limited as long as the metal powder can ignite and generate heat. A method in which a carbon film is ignited to generate heat and used as a heat source and brought into contact with the mixed powder to ignite and generate heat is preferable because it is excellent in handling. The combustion synthesis reaction is completed in about 1 to 60 seconds.
反応生成物は、るつぼ中において塊状である。該反応生成物の粉砕は、平均粒径が 10μm 以下となる粉砕方法であれば特に限定されず、ジェットミル、ボールミル、乳鉢と乳棒等で行なうことができる。平均粒径が 100μm をこえると、後工程の洗浄工程での洗浄が十分でなくなり、副生成物であるイオン結合性塩が残留しやすくなる。 The reaction product is agglomerated in the crucible. The pulverization of the reaction product is not particularly limited as long as the average particle size is 10 μm or less, and can be performed with a jet mill, a ball mill, a mortar and a pestle. When the average particle size exceeds 100 μm, the washing in the subsequent washing step becomes insufficient, and the ion-binding salt as a by-product tends to remain.
粉砕工程後の微粉末には、副生成物であるイオン結合性塩が含まれる。例えばNaClO4 を原料に用いた場合はNaClが、KClO4 を原料に用いた場合はKClがそれぞれ生成する。これらの塩は上述のように水で洗浄することで除去できる。
塩類が燃焼合成反応後の合成粉末に存在すると焼結性が阻害される。焼結性を阻害しない程度まで塩類を減らす基準としては、洗浄液の電気伝導率が 150μS/cm 以下である。すなわち洗浄回数、洗浄量の如何にかかわらず、上記合成粉末を水で洗浄したとき洗浄後の洗浄水の電気伝導率が 150μS/cm 以下であればよい。
The fine powder after the pulverization step contains an ion-binding salt that is a by-product. For example, when NaClO 4 is used as a raw material, NaCl is generated, and when KClO 4 is used as a raw material, KCl is generated. These salts can be removed by washing with water as described above.
When salts are present in the synthetic powder after the combustion synthesis reaction, the sinterability is hindered. As a standard for reducing the salt to such an extent that the sinterability is not hindered, the electrical conductivity of the cleaning liquid is 150 μS / cm or less. That is, regardless of the number of washings and the amount of washing, the electric conductivity of the washing water after washing should be 150 μS / cm or less when the synthetic powder is washed with water.
以上の工程により誘電体セラミックス(合成粉末)が得られる。また、用途に応じて、洗浄乾燥後、該粉末を焼結してもよい。焼結するとき、ポリビニルブチラールなどの成形用粘結剤を配合できる。焼結条件としては、10〜100 MPa の圧力で成形後、大気雰囲気下、1200〜1500℃の温度で焼成する条件が挙げられる。
また、燃焼合成で得られた合成粉末の結晶構造をさらに安定させたり、微量な不純物を除去するため、900〜1100℃で仮焼することも可能である。
Dielectric ceramics (synthetic powder) are obtained through the above steps. Moreover, you may sinter this powder after washing | cleaning and drying according to a use. When sintering, a molding binder such as polyvinyl butyral can be blended. Sintering conditions include a condition of forming at a pressure of 10 to 100 MPa and firing at a temperature of 1200 to 1500 ° C. in an air atmosphere.
Moreover, in order to further stabilize the crystal structure of the synthetic powder obtained by the combustion synthesis and to remove a trace amount of impurities, it is possible to calcine at 900 to 1100 ° C.
実施例1〜実施例10、比較例1〜比較例3
以下の方法で誘電体セラミックスを合成した。各反応原料を表1に示すモル配合比(モル比)でボールミルを用いて 5 時間混合することにより混合粉末を得た。合成装置内のチャンバー内にカーボンるつぼを設置し、混合粉末(100 g )をカーボンるつぼ内に敷き詰め、着火用のカーボンフイルムを混合粉の一部と接触させて、チャンバーを閉じた。真空ポンプを用いて、チャンバー内の残留酸素を減少させた後、アルゴン(Ar)ガスを封入し、チャンバーの内圧を 0.1 MPa とした。
なお、表1中において、Ti金属粉末は住友チタニウム社製TSP−350またはTILOP−150を、NaClO4、TiO2、SrCO3、CaCO3、BaO2 、ZrO2 は和光純薬工業社製各試薬を、Nd2O3は信越化学工業社製品をそれぞれ用いた。
Example 1 to Example 10, Comparative Example 1 to Comparative Example 3
Dielectric ceramics were synthesized by the following method. Each reaction raw material was mixed for 5 hours using a ball mill at a molar mixing ratio (molar ratio) shown in Table 1 to obtain a mixed powder. A carbon crucible was installed in the chamber in the synthesizer, and the mixed powder (100 g) was spread in the carbon crucible, and a carbon film for ignition was brought into contact with a part of the mixed powder to close the chamber. After reducing the residual oxygen in the chamber using a vacuum pump, argon (Ar) gas was sealed, and the internal pressure of the chamber was set to 0.1 MPa.
In Table 1, Ti metal powder is TSP-350 or TILOP-150 manufactured by Sumitomo Titanium, and NaClO 4 , TiO 2 , SrCO 3 , CaCO 3 , BaO 2 , and ZrO 2 are reagents manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. Nd 2 O 3 was a Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. product.
実施例1〜実施例10の組成物について燃焼波が伝播し、燃焼合成法により合成粉末と副生成物(NaCl)が得られた。アルミナ製乳鉢を用いて合成粉末を粉砕し、平均粒子径が 2μm の未洗浄誘電体セラミックス粉末を得た。
得られた未洗浄誘電体セラミックス粉末を十分水洗し、この粉末に付着したNaClを除去して誘電体セラミックスを得た。
また、比誘電率および誘電正接を以下の方法で測定した。
得られた誘電体セラミックス粉末に成形用バインダ(ポリビニルブチラール樹脂)を1重量%添加して混合した。次に混合粉末を 10 mm×80 mm の金型に投入し、1.5トン/cm2の圧力を加えてグリーン体(10 mm×90 mm×3 mm )を得た。このグリーン体を 600℃で 1 時間保持し、有機分を除去した後、1300℃で 3 時間焼成した。得られた焼結体を 70 mm×1.5 mm×1.5 mm の試験片に加工し、空洞共振器法を用いて、1、5 GHz の周波数帯で比誘電率および誘電正接を測定した。ここで、比誘電率および誘電正接は 25℃での値である。
Combustion waves propagated through the compositions of Examples 1 to 10, and synthetic powder and by-product (NaCl) were obtained by the combustion synthesis method. The synthetic powder was pulverized using an alumina mortar to obtain an unwashed dielectric ceramic powder having an average particle size of 2 μm.
The obtained unwashed dielectric ceramic powder was sufficiently washed with water, and NaCl adhered to the powder was removed to obtain a dielectric ceramic.
The relative dielectric constant and dielectric loss tangent were measured by the following methods.
1% by weight of a molding binder (polyvinyl butyral resin) was added to and mixed with the obtained dielectric ceramic powder. Next, the mixed powder was put into a 10 mm × 80 mm mold, and a pressure of 1.5 ton / cm 2 was applied to obtain a green body (10 mm × 90 mm × 3 mm). This green body was held at 600 ° C. for 1 hour to remove organic components, and then fired at 1300 ° C. for 3 hours. The obtained sintered body was processed into a 70 mm × 1.5 mm × 1.5 mm test piece, and the relative dielectric constant and dielectric loss tangent were measured in the frequency band of 1 and 5 GHz using the cavity resonator method. Here, relative permittivity and dielectric loss tangent are values at 25 ° C.
表1に示すように全ての実施例で優れた誘電特性を示す燃焼波の伝播が発生し合成粉末が得られた。得られた合成粉末の中ではCaO:18、SrO:8、Re2O3:8、TiO2:50、BaO:0.2、ZrO2:0.2 となる配合割合の実施例7の組成の誘電体セラミックスが最も優れた誘電特性を示した。 As shown in Table 1, the propagation of combustion waves exhibiting excellent dielectric properties was generated in all examples, and synthetic powders were obtained. Among the obtained synthetic powders, the dielectric ceramics having the composition of Example 7 having a blending ratio of CaO: 18, SrO: 8, Re 2 O 3 : 8, TiO 2 : 50, BaO: 0.2, ZrO 2 : 0.2. Showed the best dielectric properties.
本発明の誘電体セラミックスは、理論密度に近く緻密化され、優れた誘電特性を有するので、誘電体アンテナ、コンデンサ、誘電体共振器、フィルター、圧力センサ、超音波モータ等に使用できる。 Since the dielectric ceramic of the present invention is close to the theoretical density and has excellent dielectric properties, it can be used for dielectric antennas, capacitors, dielectric resonators, filters, pressure sensors, ultrasonic motors and the like.
Claims (4)
反応原料粉末として少なくとも、比表面積が 0.01〜2 m2/g のTi粉末と、酸素供給源となるイオン結合性物質と、TiO2と、CaCO3と、SrCO3と、Re2O3とを、得られる誘電体セラミックスがモル組成比でCaO:( 26 − x)、SrO:x 、Re2O3:8、TiO2:y( 0≦x≦26 , 40≦y≦60 )となる割合で配合する工程と、
前記所定割合で配合された配合物を、断熱火炎温度が 1500℃以上である燃焼合成法により反応させる工程と、
前記燃焼合成反応により得られた反応生成物を粉砕する工程と、
前記粉砕された粉末を水で洗浄する工程とを備えることを特徴とする誘電体セラミックスの製造方法。 A method for producing a dielectric ceramic comprising at least Ca or Sr , Ti, O, Re (rare earth element) as a constituent element,
At least a Ti powder having a specific surface area of 0.01 to 2 m 2 / g, an ion-binding substance as an oxygen supply source, TiO 2 , CaCO 3 , SrCO 3 , and Re 2 O 3 as a reaction raw material powder. The dielectric ceramics obtained have a molar composition ratio of CaO: (26−x), SrO: x, Re 2 O 3 : 8, TiO 2 : y (0 ≦ x ≦ 26, 40 ≦ y ≦ 60) A step of blending with,
Reacting the compound blended at the predetermined ratio by a combustion synthesis method in which the adiabatic flame temperature is 1500 ° C. or higher;
Crushing the reaction product obtained by the combustion synthesis reaction;
And a step of washing the pulverized powder with water.
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