TWI662008B - 介電陶瓷材料及其製備方法 - Google Patents

介電陶瓷材料及其製備方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI662008B
TWI662008B TW106140207A TW106140207A TWI662008B TW I662008 B TWI662008 B TW I662008B TW 106140207 A TW106140207 A TW 106140207A TW 106140207 A TW106140207 A TW 106140207A TW I662008 B TWI662008 B TW I662008B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
ceramic material
dielectric ceramic
tio
powder
blend
Prior art date
Application number
TW106140207A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201925139A (zh
Inventor
王錫福
劉怡心
王玉瑞
陳彥丞
Original Assignee
國立臺北科技大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立臺北科技大學 filed Critical 國立臺北科技大學
Priority to TW106140207A priority Critical patent/TWI662008B/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI662008B publication Critical patent/TWI662008B/zh
Publication of TW201925139A publication Critical patent/TW201925139A/zh

Links

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

一種介電陶瓷材料，包含如下所示的固溶體：(1-y)(Ca 0.6-zMg zLa 0.8/3TiO 3)-y(Li 0.5Ln 0.5TiO 3)。其中，Ln表示Nd、Sm或其組合；y表示0.35至0.55；及z表示0.1至0.3。本發明亦提供一種製備如上所述的介電陶瓷材料的方法。本發明介電陶瓷材料具有熱穩定的共振頻率及高介電常數，功率儲存與損失之比例符合所需，且製備時所需的燒結溫度較低。

Description

介電陶瓷材料及其製備方法
本發明是有關於一種介電陶瓷材料，特別是指一種鈣鈦礦型(perovskite)的介電陶瓷材料及其製備方法。
介電裝置(Dielectric devices)例如共振器、濾波器等，一般需要具有穩定的共振頻率，現有開發應用於高頻通信的微波介電陶瓷材料可例如鈣鈦礦型(perovskite)的陶瓷氧化物(ABO 3)。在半導體製程中為了進一步達到裝置微型化，往往需要使用具有高介電常數的材料。
Materials Research Bulletin36 (2001) 547–556公開一種介電陶瓷材料，其結合了Li 1/2Nd 1/2TiO 3及Ca 1-xLa 2x/3TiO 3，具有熱穩定的共振頻率及高介電常數。 Advanced Materials Research335–336 (2011) 956–959公開一種介電陶瓷材料的製法，其藉由在Ca 0.6La 0.8/3TiO 3-Li 0.5Nd 0.5TiO 3的製備過程中摻雜ZnO-B 2O 3-SiO 2(ZBS)玻璃，可降低其製備時所需的燒結溫度。
因此，本發明之目的，即在提供一種介電陶瓷材料，可以克服上述先前技術的缺點。
於是，本發明介電陶瓷材料包含如下化學式1所示的固溶體(solid solution)： 〔化學式1〕 (1-y)(Ca 0.6-zMg zLa 0.8/3TiO 3)-y(Li 0.5Ln 0.5TiO 3)
其中，Ln表示Nd、Sm或其組合；y表示0.35至0.55；及z表示0.1至0.3。
因此，本發明之另一目的，即在提供一種製備如上所述的介電陶瓷材料的方法，包含以下步驟：
(a) 形成一第一初步煆燒粉體材料，該第一初步煆燒粉體材料的化學通式為Ca 0.6-zMg zLa 0.8/3TiO 3，其中，z的定義如請求項1所述，步驟(a)包括以下子步驟： (a1) 依據符合該化學通式Ca 0.6-zMg zLa 0.8/3TiO 3的化學計量比例，製備一第一摻合物，該第一摻合物包括碳酸鈣、氧化鎂、氧化鑭及二氧化鈦， (a2) 研磨該第一摻合物以形成一第一研磨摻合物，及 (a3) 在1000至1200℃中，煆燒(calcining)該第一研磨摻合物以形成該第一初步煆燒粉體材料；
(b) 形成一第二初步煆燒粉體材料，該第二初步煆燒粉體材料的化學通式為Li 0.5Ln 0.5TiO 3，其中，Ln的定義如上所述，步驟(b)包括以下子步驟： (b1) 依據符合該化學通式Li 0.5Ln 0.5TiO 3的化學計量比例，製備一第二摻合物，該第二摻合物包括碳酸鋰、Ln的氧化物及二氧化鈦， (b2) 研磨該第二摻合物以形成一第二研磨摻合物，及 (b3) 在900至1100℃中，煆燒該第二研磨摻合物以形成該第二初步煆燒粉體材料；
(c) 依據(1-y)：y的莫耳比例混合該第一初步煆燒粉體材料及該第二初步煆燒粉體材料，以獲得一混合粉體，其中，y的定義如上所述；
(d) 研磨該混合粉體以形成一經研磨的混合粉體；及
(e) 在1100至1300℃中，燒結(sintering)該經研磨的混合粉體。
本發明之功效在於：該介電陶瓷材料具有熱穩定的共振頻率及高介電常數，功率儲存與損失之比例符合所需，且製備時所需的燒結溫度較低。
以下將就本發明內容進行詳細說明：
較佳地，在本發明的介電陶瓷材料中，Ln表示Nd或Sm。
較佳地，在本發明的介電陶瓷材料中，z表示0.2。
較佳地，在本發明的介電陶瓷材料中，y表示0.35至0.40。
較佳地，在本發明的製備介電陶瓷材料的方法中，在該步驟(e)中，該燒結溫度範圍為1100至1250℃。
較佳地，在本發明的製備介電陶瓷材料的方法中，該步驟(d)包括以下子步驟： (d1) 研磨該混合粉體並乾燥，以形成一經乾燥的混合粉體；及 (d2) 混合一黏結劑與該經乾燥的混合粉體以獲得該經研磨的混合粉體。
較佳地，在本發明的製備介電陶瓷材料的方法中，在該步驟(e)之前，不摻雜非金屬氧化物。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
[ 製備例]
＜製備例 1 ＞ CMLT 的製備
將CaCO 3、MgO、La 2O 3、TiO 2粉末(純度皆為99.9%以上)以23：5：25：47的重量比例混合，置入裝有氧化鋯球的PVC球磨罐內，並加入乙醇進行球磨12小時，出漿後置於烘箱中以90℃乾燥，乾燥後得到一粉體。將得到的粉體置於研缽中並搗碎，接著置於氧化鋁坩鍋中，在高溫爐內以5℃/min的速率升溫至1100℃並維持溫度3小時以進行煆燒，得到Ca 0.4Mg 0.2La 0.2667TiO 3(CMLT)粉體。
＜製備例 2 ＞ LNT 的製備
將Li 2CO 3、Nd 2O 3、TiO 2粉末(純度皆為99.9%以上)以10：46：44的重量比例混合，置入裝有氧化鋯球的PVC球磨罐內，並加入乙醇進行球磨12小時，出漿後置於烘箱中以90℃乾燥，乾燥後得到一粉體。將得到的粉體置於研缽中並搗碎，接著置於氧化鋁坩鍋中，在高溫爐內以5℃/min的速率升溫至1000℃並維持溫度2小時以進行煆燒，得到Li 0.5Nd 0.5TiO 3(LNT)粉體。
＜製備例 3 ＞ LST 的製備
將Li 2CO 3、Sm 2O 3、TiO 2粉末(純度皆為99.9%以上)以10：47：43的重量比例混合，置入裝有氧化鋯球的PVC球磨罐內，並加入乙醇進行球磨12小時，出漿後置於烘箱中以90℃乾燥，乾燥後得到一粉體。將得到的粉體置於研缽中並搗碎，接著置於氧化鋁坩鍋中，在高溫爐內以5℃/min的速率升溫至1000℃並維持溫度2小時以進行煆燒，得到Li 0.5Sm 0.5TiO 3(LST)粉體。
＜比較製備例＞ CLT 的製備
將CaCO 3、La 2O 3、TiO 2粉末(純度皆為99.9%以上)以33：24：44的重量比例混合，置入裝有氧化鋯球的PVC球磨罐內，並加入乙醇進行球磨12小時，出漿後置於烘箱中以90℃乾燥，乾燥後得到一粉體。將得到的粉體置於研缽中並搗碎，接著置於氧化鋁坩鍋中，在高溫爐內以5℃/min的速率升溫至1100℃並維持溫度3小時以進行煆燒，得到Ca 0.6La 0.2667TiO 3(CLT)粉體。
[ 實施例 ]
＜實施例 1 ＞ CMLT-LNT 的製備
將上述製備例1製得的CMLT粉體及上述製備例2製得的LNT粉體以0.65：0.35的莫耳比例混合，置入裝有氧化鋯球的PVC球磨罐內，並加入乙醇進行球磨24小時，以降低煆燒造成的團聚現象，出漿後置於烘箱中以90℃乾燥，乾燥後得到一粉體。
在得到的粉體中添加5 wt%黏結劑(PVA，以該粉體為95 wt%)，混合後以80 mesh的篩網過篩造粒。接著取篩下的粉末置入模具中，以單軸螺桿壓出機壓出(成型壓力150 Mpa) 30秒，得到一直徑約為9 mm、厚度約為4.4~4.5 mm的生壓胚。
將該生壓胚置於氧化鋁坩鍋中，以5℃/min的速率升溫至550℃並維持溫度4小時以去除黏結劑，接著以5℃/min的速率升溫至1150℃並維持溫度4小時以進行燒結，得到實施例1的陶瓷材料CMLT-LNT。
＜實施例 2 ＞ CMLT-LST
實施例2的製程與實施例1類似，差異之處在於將上述製備例2製得的LNT粉體以上述製備例3製得的LST粉體取代，並以0.6：0.4的莫耳比例混合CMLT粉體及LST粉體，最後得到實施例2的陶瓷材料CMLT-LST。
＜比較例 1 ＞ CLT-LNT
比較例1的陶瓷材料CLT-LNT即為 Materials Research Bulletin36 (2001) 547–556所記載之0.5Ca 0.6La 0.2667TiO 3-0.5Li 1/2Nd 1/2TiO 3。
＜比較例 2 ＞ CLT-LNT-ZBS 的製備
比較例2的陶瓷材料CLT-LNT-ZBS即為 Advanced Materials Research335–336 (2011) 956–959所記載之經8 wt% ZnO-B 2O 3-SiO 2(ZBS)玻璃摻雜的Ca 0.6La 0.8/3TiO 3-Li 0.5Nd 0.5TiO 3。
[ 相對介電常數 (ε r) 、品質因子與共振頻率之乘積 ( Q× f) 、共振頻率之溫度係數 (τ f ) 的測量 ]
分別將製備例1、實施例1及實施例2、比較製備例的陶瓷材料研磨成兩面平整的圓片(直徑/厚度比值介於1.8~2.2)，利用平行板共振器量測(調整插入損失約為30 dB)並以Courtney Method計算得到相對介電常數(ε r)及品質因子與共振頻率之乘積( Q× f)，量測25℃及85℃的共振頻率並計算得到共振頻率之溫度係數(τ f )，結果分別如下表1所示。 【表1】 陶瓷材料 燒結溫度 (℃) εrQ×f (GHz) τf (ppm/℃) 製備例1 CMLT 1300 71.9 180,527 170 實施例1 CMLT-LNT 1150 103 12,488 12 實施例2 CMLT-LST 1100 112.5 24,115 7.6 比較製備例 CLT 1300 119.3 73,246 283 比較例1 CLT-LNT 1400 105 7,000 4.5 比較例2 CLT-LNT-ZBS 1050 89 1,445 11.4
在上表1中，比較例1及比較例2的數值分別取自於 Materials Research Bulletin36 (2001) 547–556及 Advanced Materials Research335–336 (2011) 956–959。
由表1可以得知，相較於製備例1的陶瓷材料CMLT，實施例1及實施例2之陶瓷材料CMLT-LNT及CMLT-LST分別僅需1150℃及1100℃的製備燒結溫度(製程較節能)，不僅可大幅降低其τ f 值至0附近(陶瓷材料的頻率熱穩定性較高)，且可維持其 Q× f值在10,000甚至20,000以上(功率儲存與損失之比例未失衡)，並可些微提高其ε r值(較適用於微型化裝置)。相較於比較製備例的陶瓷材料CLT，比較例1之陶瓷材料CLT-LNT雖然也可大幅降低其τ f 值至0附近，但其 Q× f值則下降至約7,000，且其仍需1400℃的製備燒結溫度；即使比較例2之陶瓷材料CLT-LNT-ZBS是透過在製程中摻雜ZBS而可降低燒結溫度至1050℃，但其 Q× f值則大幅下降至1,445，且其ε r值亦有些微下降。
綜上所述，本發明介電陶瓷材料不僅共振頻率的熱穩定性高，且功率儲存與損失之比例符合所需，並具有高介電常數。此外，其製備時所需的燒結溫度較低，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (8)

  1. 一種介電陶瓷材料，包含如下化學式1所示的固溶體： 〔化學式1〕 (1-y)(Ca 0.6-zMg zLa 0.8/3TiO 3)-y(Li 0.5Ln 0.5TiO 3) 其中， Ln表示Nd、Sm或其組合； y表示0.35至0.55；及 z表示0.1至0.3。
  2. 如請求項1所述的介電陶瓷材料，其中，Ln表示Nd或Sm。
  3. 如請求項1所述的介電陶瓷材料，其中，z表示0.2。
  4. 如請求項1所述的介電陶瓷材料，其中，y表示0.35至0.40。
  5. 一種製備如請求項1所述的介電陶瓷材料的方法，包含以下步驟： (a) 形成一第一初步煆燒粉體材料，該第一初步煆燒粉體材料的化學通式為Ca 0.6-zMg zLa 0.8/3TiO 3，其中，z的定義如請求項1所述，步驟(a)包括以下子步驟： (a1) 依據符合該化學通式Ca 0.6-zMg zLa 0.8/3TiO 3的化學計量比例，製備一第一摻合物，該第一摻合物包括碳酸鈣、氧化鎂、氧化鑭及二氧化鈦， (a2) 研磨該第一摻合物以形成一第一研磨摻合物，及 (a3) 在1000至1200℃中，煆燒該第一研磨摻合物以形成該第一初步煆燒粉體材料； (b) 形成一第二初步煆燒粉體材料，該第二初步煆燒粉體材料的化學通式為Li 0.5Ln 0.5TiO 3，其中，Ln的定義如請求項1所述，步驟(b)包括以下子步驟： (b1) 依據符合該化學通式Li 0.5Ln 0.5TiO 3的化學計量比例，製備一第二摻合物，該第二摻合物包括碳酸鋰、Ln的氧化物及二氧化鈦， (b2) 研磨該第二摻合物以形成一第二研磨摻合物，及 (b3) 在900至1100℃中，煆燒該第二研磨摻合物以形成該第二初步煆燒粉體材料； (c) 依據(1-y)：y的莫耳比例混合該第一初步煆燒粉體材料及該第二初步煆燒粉體材料，以獲得一混合粉體，其中，y的定義如請求項1所述； (d) 研磨該混合粉體以形成一經研磨的混合粉體；及 (e) 在1100至1300℃中，燒結該經研磨的混合粉體。
  6. 如請求項5所述的製備介電陶瓷材料的方法，其中，在該步驟(e)中，該燒結溫度範圍為1100至1250℃。
  7. 如請求項5所述的製備介電陶瓷材料的方法，其中，該步驟(d)包括以下子步驟： (d1) 研磨該混合粉體並乾燥，以形成一經乾燥的混合粉體；及 (d2) 混合一黏結劑與該經乾燥的混合粉體以獲得該經研磨的混合粉體。
  8. 如請求項5所述的製備介電陶瓷材料的方法，其中，在該步驟(e)之前，不摻雜非金屬氧化物。
TW106140207A 2017-11-21 2017-11-21 介電陶瓷材料及其製備方法 TWI662008B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106140207A TWI662008B (zh) 2017-11-21 2017-11-21 介電陶瓷材料及其製備方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106140207A TWI662008B (zh) 2017-11-21 2017-11-21 介電陶瓷材料及其製備方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI662008B true TWI662008B (zh) 2019-06-11
TW201925139A TW201925139A (zh) 2019-07-01

Family

ID=67764119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106140207A TWI662008B (zh) 2017-11-21 2017-11-21 介電陶瓷材料及其製備方法

Country Status (1)

Country Link
TW (1) TWI662008B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112429777A (zh) * 2020-11-02 2021-03-02 广西科技大学 类钙钛矿结构固体材料及其制备

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Cheng-Liang Huang, Jsung-Ta Tsai, Yuan-Bin Chen；「Dielectric properties of (1-y)Ca1-xLa2x/3TiO3-y(Li,Nd)1/2TiO3 ceramic system at microwave frequency」；Materials Research Bulletin 36 (2001) 547–556
Cheng-Liang Huang, Jsung-Ta Tsai, Yuan-Bin Chen；Dielectric properties of (1-y)Ca1-xLa2x/3TiO3-y(Li,Nd)1/2TiO3 ceramic system at microwave frequency；Materials Research Bulletin 36 (2001) 547–556 *
Ching-Fang Tseng, Shao-Hsiang Hung, I-Chien Huang, 「Microwave Dielectric Properties of (Ca0.39Mg0.01) Sm0.4TiO3 Ceramics」, Ferroelectrics, 434:1, 121-127
Ching-Fang Tseng, Shao-Hsiang Hung, I-Chien Huang, Microwave Dielectric Properties of (Ca0.39Mg0.01) Sm0.4TiO3 Ceramics, Ferroelectrics, 434:1, 121-127 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112429777A (zh) * 2020-11-02 2021-03-02 广西科技大学 类钙钛矿结构固体材料及其制备

Also Published As

Publication number Publication date
TW201925139A (zh) 2019-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10899669B2 (en) Boron aluminum silicate mineral material, low temperature co-fired ceramic composite material, low temperature co-fired ceramic, composite substrate and preparation methods thereof
JP2023520615A (ja) 周波数安定型低誘電性マイクロ波誘電体セラミック材料及びその調製方法
WO2009136443A1 (ja) 誘電体磁器組成物
CN103482978B (zh) 固溶体微波介质陶瓷材料及其制备方法与应用
CN110790576A (zh) 一种微波陶瓷粉体材料及其制备方法
CN108147809B (zh) 中低温烧结钡-钛系微波介质材料及制备方法
Yao et al. Structure and microwave dielectric properties of NaSr4V5O17 ceramics for LTCC applications
CN111004030B (zh) 一种MgTiO3基微波介质陶瓷及其制备方法
KR101732422B1 (ko) 유전체 제조용 소결 전구체 분말 및 이의 제조 방법
CN105669195B (zh) 低介电常数高q值微波介质陶瓷材料及其制备方法
TWI662008B (zh) 介電陶瓷材料及其製備方法
CN113336539A (zh) 微波介质陶瓷材料、制备方法及应用
CN105777108B (zh) 一种高介电常数的纳米介质陶瓷及其制备方法
Lin et al. Microwave dielectric properties of (Ba1− xSrx)(Mg0. 5W0. 5) O3 ceramics
CN108002836B (zh) 中介电常数微波介电陶瓷材料及其制备方法
JPH02199052A (ja) 高周波用誘電体磁器組成物
CN102531572A (zh) 一种温度补偿高频微波电容器介质材料
JPH0255884B2 (zh)
Nurmi et al. The effect of titanium excess and deficiency on the microstructure and dielectric properties of lanthanum doped Ba0. 55Sr0. 45TiO3 with colossal permittivity
CN108002833B (zh) 六方钙钛矿结构微波介质陶瓷材料及其制备方法
CN104961458A (zh) 一种温度稳定型钙钛矿结构微波介质陶瓷
CN104402430A (zh) 一种温度稳定型中k值微波介质陶瓷及其制备方法
CN113773070B (zh) 温度稳定型高介电常数微波介质陶瓷材料及其制备方法
JP3696947B2 (ja) 誘電体磁器組成物
CN116217225A (zh) 一种钛酸锶基微波介质陶瓷材料及其制备方法