一种低温烧结微波介质材料MgZrNb2O8及其制备方法转让专利
申请号 : CN202111577497.X
文献号 : CN114031402B
文献日 : 2023-04-07
发明人 : 周晓华 , 倪鹏 , 唐斌
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
本发明属于电子材料及其制造领域，具体提供一种低温烧结微波介质材料MgZrNb2O8及其制备方法，用以解决微波介质材料MgZrNb2O8烧结温度过高、无法与Ag电极共烧形成LTCC陶瓷的问题。本发明通过在预合成MgZrNb2O8基料中添加ZnO‑B2O3玻璃作为助烧剂，大大降低微波介质材料MgZrNb2O8的烧结温度至925～975℃，进而实现与Ag电极共烧形成LTCC陶瓷；并且，微波介电性能仍然优异：介电常数为10～21、Q×f值为33000～40000GHz、谐振频率温度系数为‑80～‑70ppm/℃，在微波介质陶瓷中具有广阔的应用场景。另外，本发明提供低温烧结微波介质材料的制备方法，采用的传统固相法，工艺简单，易于工业化生产，并且低温烧结具有节省能源的显著优势。
权利要求 :
1.一种低温烧结微波介质材料，其特征在于，所述低温烧结微波介质材料由MgZrNb2O8与ZnO‑B2O3玻璃组成，其中，ZnO‑B2O3玻璃占总料的比例为20～40wt％，MgZrNb2O8占总料的比例为60～80wt％；
所述低温烧结微波介质材料在主晶相MgZrNb2O8外引入次晶相Zn3(BO3)2与Zn4O(BO2)6，实现925～975℃的低温烧结。
2.按权利要求1所述低温烧结微波介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将分析纯4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O、ZrO2、Nb2O5粉体按化学式MgZrNb2O8的摩尔比进行配料；
步骤2：将混合料球磨、烘干、过筛，得到干燥粉体；
步骤3：将步骤2得干燥粉体置于高温烧结炉中，以3min/℃升温速率升温至1200℃，预烧4小时，获得主晶相MgZrNb2O8的预烧料；
步骤4：将纯ZnO与H3BO3粉体按照质量比为3:5通过玻璃加工工艺制备成ZnO‑B2O3玻璃；
步骤5：将预烧料与ZnO‑B2O3玻璃混合，并再次球磨、烘干、过筛，得干燥粉体；
步骤6：将步骤5得干燥粉体用丙烯酸造粒，并在10～20MPa下压制成生坯；
步骤7：将生坯置于烧结炉中，以3min/℃升温速率升温至925～975℃，烧结4小时，得到所述的微波介质材料。
3.按权利要求2所述低温烧结微波介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2与步骤5中，球磨工艺具体为：按照原料：去离子水：锆球为1:2:5的质量比将混合料于尼龙罐中球磨6小时，烘干工艺具体为：100℃烘干。
说明书 :
一种低温烧结微波介质材料MgZrNb2O8及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于电子材料及其制造领域，涉及低温烧结微波介质材料，具体提供一种低温烧结微波介质材料MgZrNb2O8及其制备方法。
背景技术
[0002] 低温烧结微波介质材料是目前微波元器件的研究热点，但是微波介质材料的烧结温度普遍偏高，如何降低烧结温度实现与Ag共烧成为研究难点，铌酸盐因其优异的微波性能吸引了众多国内外学者的广泛研究。
[0003] S.D.Ramarao，V.R.K.Murthy等人在文献“Crystal structure refinement and microwave dielectric properties of new low dielectric loss AZrNb2O8(A:Mn,Zn,Mg and Co)ceramics”中于 1500℃的烧结温度下制备出MgZrNb2O8微波介质材料，其性能为εr＝9.6、Q×f＝58500GHz、τf＝‑31.5ppm/℃；但是，其烧结温度非常高(1500℃)，根本无法与低电阻率的金属导体(银、铜等)共同烧结。
[0004] 为了降低烧结温度，H.T.Wu等人在文献“Effect of H3BO3 addition on the sintering behavior and microwave dielectric properties of wolframite‑type MgZrNb2O8 ceramics”中通过在 MgZrNb2O8陶瓷中添加H3BO3将烧结温度降低到1200℃，具体性能如下：εr＝23.72、Q×f＝ 58930、τf＝‑13.19ppm/℃；Xin Tang等人在文献“Low‑Temperature Sintering and Microwave Dielectric Properties of MgZrNb2O8 Ceramics with BaCu(B2O5)Addition”中通过在MgZrNb2O8陶瓷中添加BaCu(B2O5)成功地将烧结温度从1300℃降低到1100℃，在1100℃烧结温度下其微波性能为：εr＝25.96、Q×f＝65064GHz、τf＝‑47ppm/℃。上述两种方法虽然使MgZrNb2O8陶瓷的烧结温度有所降低，但是均没有将烧结温度降低到950℃，仍然没有办法与Ag电极共烧从而形成LTCC陶瓷。
[0005] 基于此，本发明提供了一种低温烧结微波介质材料MgZrNb2O8及其制备方法。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于针对微波介质材料MgZrNb2O8烧结温度过高、无法与Ag电极共烧形成LTCC陶瓷的问题，提供一种低温烧结微波介质材料MgZrNb2O8及其制备方法，通过在预合成MgZrNb2O8基料中添加ZnO‑B2O3玻璃作为助烧剂，大大降低微波介质材料MgZrNb2O8的烧结温度至925～975℃，进而实现与Ag电极共烧形成LTCC陶瓷。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008] 一种低温烧结微波介质材料，其特征在于，所述低温烧结微波介质材料由MgZrNb2O8与 ZnO‑B2O3玻璃组成，其中，ZnO‑B2O3玻璃占总料的比例为20～40wt％，MgZrNb2O8占总料的比例为60～80wt％。
[0009] 进一步的，上述低温烧结微波介质材料MgZrNb2O8的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010] 步骤1：将分析纯4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O、ZrO2、Nb2O5粉体按化学式MgZrNb2O8的摩尔比进行配料；
[0011] 步骤2：将混合料球磨、烘干、过筛，得到干燥粉体；
[0012] 步骤3：将步骤2得干燥粉体置于高温烧结炉中，以3min/℃升温速率升温至1200℃，预烧4小时，获得主晶相MgZrNb2O8的预烧料；
[0013] 步骤4：将纯ZnO与H3BO3粉体按照质量比为3:5通过玻璃加工工艺制备成ZnO‑B2O3玻璃；
[0014] 步骤5：将预烧料与ZnO‑B2O3玻璃混合，并再次球磨、烘干、过筛，得干燥粉体；
[0015] 步骤6：将步骤5得干燥粉体用丙烯酸造粒，并在10～20MPa下压制成生坯；
[0016] 步骤7：将生坯置于烧结炉中，以3min/℃升温速率升温至925～975℃，烧结4小时，得到所述的微波介质材料。
[0017] 进一步的，所述步骤2与步骤5中，球磨工艺具体为：按照原料：去离子水：锆球为1: 2:5的质量比将混合料于尼龙罐中球磨6小时，烘干工艺具体为：100℃烘干。
[0018] 本发明的有益效果在于：
[0019] 1.本发明提供了一种低温烧结微波介质材料，通过在预合成MgZrNb2O8基料中添加 ZnO‑B2O3玻璃作为助烧剂，由于在烧结过程中低熔点氧化物B2O3在800℃形成液相加快传质，从而加快晶粒生长，在主晶相MgZrNb2O8外引入新的次晶相Zn3(BO3)2与Zn4O(BO2)6，极大的降低了烧结温度，实现了925～975℃的低温烧结，尤其是950℃的低温烧结，能够实现与Ag电极共烧形成LTCC陶瓷。
[0020] 2.本发明提供的低温烧结微波介质材料，由于助烧剂的引入，微波介质材料的微波介电性能(如Q×f值)存在一定下降，但微波介电性能仍然优异：介电常数为10～21、Q×f值为3 3000～40000GHz、谐振频率温度系数为‑80～‑70ppm/℃，在微波介质陶瓷中具有广阔的应用场景：如在MgZrNb2O8基料中添加30wt％的ZnO‑B2O3时能够在950℃烧结并获得Q×f值为39 325GHz。
[0021] 3.本发明提供的低温烧结微波介质材料，采用的传统固相法，工艺简单，易于工业化生产，并且低温烧结具有节省能源的显著优势。
附图说明
[0022] 图1为实施例3中950℃烧结微波介质材料MgZrNb2O8的XRD图。
[0023] 图2为实施例3中950℃烧结微波介质材料MgZrNb2O8的SEM图。
[0024] 图3为实施例5中975℃烧结微波介质材料MgZrNb2O8的XRD图。
[0025] 图4为实施例5中975℃烧结微波介质材料MgZrNb2O8的SEM图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0027] 本发明共提供六个实施例，每个实施例中，低温烧结微波介质材料由MgZrNb2O8与Zn O‑B2O3玻璃组成，其中，ZnO‑B2O3玻璃为xwt％，x＝25、30、35；低温烧结微波介质材料均采用相同制备方法制备，具体包括以下步骤：
[0028] 步骤1：将分析纯4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O、ZrO2、Nb2O5粉体按化学式MgZrNb2O8的摩尔比进行配料；
[0029] 步骤2：按照原料：去离子水：锆球为1:2:5的质量比将混合料于尼龙罐中球磨6小时，然后料浆在100℃烘干，并将干燥粉体通过80目的筛网；
[0030] 步骤3：将步骤2干燥粉体置于烧结炉中，得在1200℃预烧4小时，获得主晶相为 MgZrNb2O8的预烧料；
[0031] 步骤4：将纯ZnO与H3BO3粉体按照质量比为3:5通过常规的玻璃加工工艺制备成ZnO‑ B2O3玻璃；
[0032] 步骤5：将预烧料与25～35wt％的ZnO‑B2O3玻璃混合；按照预烧料：锆球：去离子水为 1:5:2的质量比加工混合料于尼龙罐中球磨4小时，然后料浆在100℃烘干；
[0033] 步骤6：将干燥粉体用丙烯酸造粒，并在10～20MPa下压制成生坯；
[0034] 步骤7：将生坯在烧结炉中于925～975℃烧结4小时，得到所述的微波介质材料。
[0035] 上述六个实施例的具体工艺参数及微波介电性能如下表所示：
[0036]编号 组成 烧结温度 烧结时长 εr Q×f(GHz) τf(ppm/℃)
实施例1 0wt.％ZnO‑B2O3 1340 4 26.63 53195 ‑55.80
实施例2 25wt.％ZnO‑B2O3 950 4 18.94 36742 ‑72.12
实施例3 30wt.％ZnO‑B2O3 950 4 20.47 39325 ‑74.65
实施例4 35wt.％ZnO‑B2O3 950 4 19.24 33742 ‑78.54
实施例5 25wt.％ZnO‑B2O3 975 4 19.87 36110 ‑72.46
实施例6 30wt.％ZnO‑B2O3 975 4 18.29 34197 ‑75.03
实施例1 0wt.％ZnO‑B2O3 1340 4 26.63 53195 ‑55.80
实施例2 25wt.％ZnO‑B2O3 950 4 18.94 36742 ‑72.12
实施例3 30wt.％ZnO‑B2O3 950 4 20.47 39325 ‑74.65
实施例4 35wt.％ZnO‑B2O3 950 4 19.24 33742 ‑78.54
实施例5 25wt.％ZnO‑B2O3 975 4 19.87 36110 ‑72.46
实施例6 30wt.％ZnO‑B2O3 975 4 18.29 34197 ‑75.03
[0037] 上述六个实施例中，实施例3制备得低温烧结微波介质材料的XRD图如图1所示、SE M图如图2所示，由图可见，所述微波介质材料的主晶相为MgZrNb2O8，添加ZnO‑B2O3后形成少量的Zn3(BO3)2和Zn4O(BO2)6；实施例5制备得低温烧结微波介质材料的XRD图如图 3所示、SEM图如图4所示，其结果呈现与图1与图2基本相同。
[0038] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。