一种氧化铝微波介质陶瓷及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种氧化铝微波介质陶瓷及其制备方法。该氧化铝微波介质陶瓷包括氧化铝、氧化钇、氧化锆和CMS混合物，氧化铝的质量百分比为95％～98％，氧化钇的质量百分比为0.25％～0.75％，氧化锆的质量百分比为0％～3％，CMS混合物的质量百分比为1.25％～3.25％；CMS混合物包括氧化镁、氧化钙和氧化硅，氧化镁的质量百分比为18.6％，氧化钙的质量百分比为50.1％～56.0％，氧化硅的质量百分比为25.4％～31.3％。制备方法为：按配比将氧化铝、氧化钇、氧化锆和CMS混合物混合，球磨烘干、造粒并压成坯片，排胶烧结制得陶瓷。通过添加组合氧化物，使陶瓷有高微波介电性能和高耐击穿强度。
【专利说明】
-种氧化错微波介质陶瓷及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于无机非金属功能材料领域，具体设及一种氧化侣微波介质陶瓷及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 氧化侣陶瓷具有机械强度高、电阻率高、电绝缘性好、硬度和烙点高、抗腐蚀性好、 化学稳定性优良等特点，广泛应用于机械、电子电力、化工、医学、建筑W及其它的高科技领 域。由于氧化侣陶瓷具有低的介电常数、低的介电损耗和高的热导率，是一种理想的低介电 常数微波介质陶瓷材料，在电子线路封装的陶瓷基板、介质谐振天线等器件方面具有重要 的用途。近年来，微波介质陶瓷因其介电性能的高频稳定性好，耐击穿场强高，成为了大功 率固体微波脉冲形成线较为理想的候选材料。
[0003] 目前，对氧化侣陶瓷微波介质陶瓷性能的改善主要集中于优化其微波介电性能或 者优化其耐压性能。
[0004] (1)陶瓷微波介电性能的影响因素主要包括密度、气孔率、显微结构等。纯氧化侣 陶瓷晶体晶格能较大，扩散系数小，制备时其烧结溫度达到165(TCW上，在烧结过程中易发 生晶粒的异常长大，结构不均匀，使其微波性能恶化。通过渗杂Ti化可W降低氧化侣陶瓷的 烧结溫度，并调节氧化侣陶瓷的频率溫度系数值，但烧结过程中易形成AhTiOs，造成调节效 果不明显。通过添加 M0(M=Cu，Zn，Mn)等可W抑制AhTiOs的生成，并取得了较好的效果，例 如通过添加0.4mol %MnO制备的0.9Al2〇3-〇. lTi〇2陶瓷微波介电性能优异，Tf = +〇 . 4邮m/ °C，Qf = 274,00(X；Hz，er=12.4。
[0005] (2)在提高氧化侣陶瓷的耐压性能方面，主要是通过添加烧结助剂提高陶瓷的致 密性来提高陶瓷的击穿电压。但由于受组分变化、样品厚度、电极形状W及测试条件的影 响，文献报道的性能水平相差比较大，一般在10~40kV/mm的范围之间变化。通过采用化0、 MgO、Si化、Na2〇、Zr〇2等中的一种或几种复合形成烧结添加剂，可W有效促进致密化烧结，获 得较高的击穿场强，达到15~20kV/mm。
[0006] 由于添加化0、Mg0、Si化等助烙剂的添加会恶化氧化侣陶瓷的微波介电性能，显著 降低氧化侣陶瓷的Qf值，所W在获得兼顾高微波介电性能和高耐压性能的氧化侣微波介电 陶瓷十分困难，不利于氧化侣微波介质陶瓷在大功率微波脉冲形成线的应用。
[0007] 本发明通过组合氧化物添加剂对氧化侣微波介质陶瓷的优化，可W获得高微波介 电性能并兼顾高耐压性能的氧化侣微波介质陶瓷材料。
【发明内容】
[000引针对上述缺陷，本发明提供了一种氧化侣微波介质陶瓷及其制备方法，旨在解决 现有技术中由于助烙剂的添加导致不能获得兼顾高微波介电性能和高耐压性能的氧化侣 微波介电陶瓷。
[0009]为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案予W实现：
[0010] 本发明提供一种氧化侣微波介质陶瓷材料，包括氧化侣(Ab化）、氧化锭化）、氧 化错（Zr〇2)W及CMS混合物；其中Al2〇3的质量百分比为95%~98%，Y203的质量百分比为 0.25 %~0.75 %，Zr〇2的质量百分比为0 %~3 %，CMS混合物的质量百分比为1.25~ 3.25%。
[0011] 进一步地，所述CMS混合物包括氧化巧(CaO)、氧化儀(MgO) W及氧化娃(Si〇2)，MgO 的质量百分比为18.6%，CaO的质量百分比为50.1 %~56.0%，Si〇2的质量百分比为25.4% ~31.3%。
[0012] 本发明所述的氧化侣微波介质陶瓷的制备方法为：
[0013] (1)将质量百分比为95%~98%粒径在1~化m的氧化侣粉体、质量百分比为 0.25%~0.75%的氧化锭粉体、质量百分比为0%~3%的氧化错粉体和质量百分比为 1.25 %~3.25 %的CMS混合物粉体渗杂后得到混合物粉体；
[0014] (2)将上述混合物粉体湿法球磨、烘干、造粒并压制成巧片，排胶烧结制得氧化侣 微波介质陶瓷。
[0015] 进一步地，在步骤（1)之前还包括CMS混合物粉体制备步骤：将质量百分比为 64.2%~69.5%的碳酸巧、质量百分比为12.9%~13.3%的氧化儀和质量百分比为17.6% ~22.5 %的氧化娃混合后在900 °C~1000 °C般烧化~化。
[0016] 进一步地，步骤(2)中湿法球磨时间为化~化。
[0017]进一步地，步骤(2)中使用质量百分比为7%~8%的聚乙締醇造粒。
[0018] 进一步地，步骤(2)中将混合物粉体在50MPa~lOOMPa压成巧片。
[0019] 进一步地，步骤(2)中在氧气气氛中600°C~650°C排胶化~化。
[0020] 进一步地，步骤(2)中时将巧片在空气气氛中1500°C~1600°C下烧结，并保溫化~ 4h，制得氧化侣微波介质陶瓷。
[0021] 本发明通过添加氧化物和调整氧化物成分配比，可W获得兼顾高微波介电性能和 高耐压性能的氧化侣微波介质陶瓷;CMS混合物作为助烧剂能够降低陶瓷的烧结溫度，提高 陶瓷致密度，提高陶瓷的耐压性能，将氧化错与氧化锭同时添加，氧化锭固溶到氧化错中会 起到稳定晶格消除裂纹的作用，可W较大程度提高材料的耐压;将CMS混合物与氧化锭、氧 化错按特定配比组合添加到氧化侣陶瓷中，较大程度上改善氧化侣陶瓷的致密度，减少气 孔率，降低了 CMS混合物由于本身微波介电性能较低而恶化陶瓷的微波介电性能的影响，提 高陶瓷材料的微波介电性能。
【附图说明】
[0022] 图1为实施例8在1500°C烧结陶瓷样品的SEM照片。
【具体实施方式】
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0024] 本发明实施例中氧化侣微波介质陶瓷，包括Al2〇3、Υ2〇3、Zr〇2 W及CMS混合物;其中 Ah化的质量百分比为95%~98%，&化的质量百分比为0.25%~0.75%，Zr〇2的质量百分比 为ο %~3 %，CMS混合物的质量百分比为1.25~3.25%。其中，所述混合物由CaO、MgO w及 Si〇2构成，MgO的质量百分比为18.6%，CaO的质量百分比为50.1 %~56.0%，Si〇2的质量百 分比为25.4%~31.3%。
[0025] 本发明实施例提供的氧化侣微波介质陶瓷由于渗杂了 Y2化、Zr〇2W及CMS混合物， 使之可W获得兼顾高微波介电性能和的耐压性能的氧化侣微波介质陶瓷。
[0026] 本发明实施例提供的制备上述氧化侣微波介质陶瓷的方法包括制备CMS混合物、 混料球磨、造粒、压片、排胶烧结等工艺步骤，通过添加 CMS混合物作为助烧剂，可W将陶瓷 的溫度降低到1650°CW下，提高陶瓷的致密度，通过组合添加 CMS混合物、Υ2〇3与化〇2,降低 了CMS混合物恶化陶瓷的微波介电性能的影响，较大程度上改善氧化侣陶瓷的致密度，减少 气孔率，提高了氧化侣微波介电陶瓷的微波介电性能；同时，氧化侣陶瓷中添加 Zr化，可W 抑制晶粒的过分长大，细化晶粒，提高陶瓷的致密度。但由于Zr化在高溫1200°C时会发生单 斜到四方的结构相变，较大的体积变化会导致氧化错中产生微裂纹，耐压性能无法得到显 著提高。氧化错与氧化锭同时添加，氧化锭固溶到氧化错中会起到稳定晶格消除裂纹的作 用，可W较大程度提高材料的耐压。
[0027] 本发明的氧化侣微波介质陶瓷的制备方法包括如下步骤：
[002引 （1)将质量百分比为64.2%~69.5%的碳酸巧、质量百分比为12.9%~13.3%的 氧化儀和质量百分比为17.6%~22.5%的氧化娃混合后在900°C~1000°C般烧化~化，得 到CMS混合物粉体，用作助烧剂；
[0029] (2)将质量百分比为95%~98%粒径在1~化m的氧化侣粉体、质量百分比为 0.25%~0.75%的氧化锭粉体、质量百分比为0%~3%的氧化错粉体和质量百分比为 1.25 %~3.25 %的CMS混合物粉体渗杂后得到混合物粉体，将混合物粉体湿法球磨化~化， 并烘干；
[0030] (3)向烘干后的混合物粉体中加入质量百分比为7%~8%的聚乙締醇造粒，在 50MPa~lOOMPa压成巧片，之后在氧气氛中600°C~650°C排胶化~化；
[0031] (4)将巧片在空气气氛中1500°C~1600°C下烧结，保溫化~地，制得氧化侣微波介 质陶瓷。
[0032] 实施例1~9
[0033] 选择粒径在1~2μπι的Al2〇3粉体为原料;将质量百分比为69.5 %的化C〇3、质量百分 比为12.9%的MgO、质量百分比为17.6%的Si化球磨混合后，混合物在900°C般烧化，得到 CMS混合物粉体;将Al2〇3粉体的质量百分比固定在98%，将Y2化粉末的质量百分比固定在 0.25%，剩余的为Zr化和CMS混合物，当Zr化的质量百分比为0%时，CMS混合物的质量百分比 1.75 %，当化〇2的质量百分比为0.25 %时，CMS混合物的质量百分比1.5 %，当化〇2的质量百 分比为0.5%时，CMS混合物的质量百分比1.25%，如表1所示，分别对应于实施1~3，按配比 将Al2〇3、Υ2〇3、Zr〇2和CMS混合物混合后，加入去离子水球磨化后烘干;将烘干后的材料中加 入质量百分比为7 %的聚乙締醇造粒，之后在氧气氛中600°C排胶化;在50M化压成Φ 12mm X 6mm或Φ 18mm X 1.2mm昆片，将巧片在空气气氛中1500°C下烧结，保溫化，制得氧化侣微波介 质陶瓷。
[0034] 选择粒径在1~2μπι的Al2〇3粉体为原料;将质量百分比为66.8 %的化C〇3、质量百分 比为13.1 %的MgO与质量百分比为20.1 %的Si化混合球磨后，混合物在950°C般烧化，得到 CMS混合物粉体;将Al2〇3粉体的质量百分比固定在97%，将Υ2化粉末的质量百分比固定在 0.5%，剩余的为Zr化和CMS混合物，当Zr化的质量百分比为0.25%时，CMS混合物的质量百分 比2.25 %，当化化的质量百分比为0.5 %时，CMS混合物的质量百分比2 %，当Zr化的质量百分 比为1 %时，CMS混合物的质量百分比1.5%，如表1所示，分别对应于实施4~6,按配比将 Ab化、Y2〇3、Zr〇2和CMS混合物混合后，加入去离子水球磨化后烘干;将烘干后的材料中加入 质量百分比为7%的聚乙締醇造粒，之后在氧气氛中650°C排胶化;在70M化压成Φ 12mmX 6mm或Φ 18mm X 1.2mm昆片，将巧片在空气气氛中1550°C下烧结，保溫4h，制得氧化侣微波介 质陶瓷。
[0035] 选择粒径在1~2μπι的Al2〇3粉体为原料;将粉末状的质量百分比为64.2%的化0)3、 质量百分比为13.3%Mg0、质量百分比为22.5%的Si化球磨混合后在1000°C般烧化，得到 CMS混合物粉体;将Al2〇3粉体的质量百分比固定在95%，将Y2化粉末的质量百分比固定在 0.75%，剩余的为Zr化和CMS混合物，当Zr化的质量百分比为1 %时，CMS混合物的质量百分比 3.25 %，当化化的质量百分比为2 %时，CMS混合物的质量百分比2.25 %，当Zr化的质量百分 比为3%时，CMS混合物的质量百分比1.25%，如表1所示，分别对应于实施7~9，按配比将 Ab化、Y2〇3、Zr〇2和CMS混合物混合后，加入去离子水球磨化后烘干;将烘干后的材料中加入 质量百分比为8%的聚乙締醇造粒，之后在氧气氛中650°C排胶加;在lOOMPa压成直径和高 度为Φ 12mmX 6mm或Φ 18mmX 1.2mm圆柱状巧片，将巧片在空气气氛中1600°C下烧结，保溫 4h，制得氧化侣微波介质陶瓷样品。
[0036] 在本发明实施例中，将采用上述方法制备的压电陶瓷进行如下的性能测试：
[0037] (1)微波介电性能测试:将〇12mmX6mm氧化侣微波介质陶瓷样品两端打磨平整 后，利用平行板谐振法测试氧化侣微波介质陶瓷的微波介电性能。
[0038] (2)耐压性能测试:将OlSmmX 1.2mm氧化侣微波介质陶瓷样品利用抛光机抛光到 1mm左右，经过超声清洗，烘干，两端涂覆中溫银浆，550° C保溫15分钟，烧制成银电极，利用 电压击穿测试仪测试耐压性能，测试过程中的升压速率为0.5KV/mm，每组样品取10个，测试 耐压，并取平均值。
[0039] (3)密度测量:对陶瓷样品进行超声清洗，烘干，用高精密电子天平测量样品质量， 用阿基米德排水法测试陶瓷样品的体积，根据样品质量与体积计算出样品密度。
[0040] 由表1可知，当Al2〇3和Y2化含量一定，Zr〇2含量增加，CMS含量减少，致密度增加，耐 压性能Eb和Qf值均增力日;对于Al2〇3质量百分比在95%~98%范围内变化时，不同渗杂，介电 常数Er在9左右变化不大，但总的趋势是化化和Y2化同时增大，有利于耐压性能Eb和Qf值的显 著提高，运说明CMS、化化和Y2化按一定比例渗杂，有利于晶粒细化提高陶瓷致密度，减少气 孔率，同时Y2化能稳定Zr化的结构，减少微裂纹的产生，显著提高陶瓷的耐压性能和微波介 电性能。
[0041 ]图1是实施例8在1500°C烧结陶瓷样品的SEM照片，从图中可W看出，Υ2〇3、Zr化和 CMS混合物的加入，气孔少，晶粒大小均匀，致密度高，陶瓷样品的耐压性能达到42.6kV/mm， 陶瓷样品的Qf达到了 24895GHz。
[00创对比例：
[0043]选择粒径在1~2皿左右的氧化侣粉体为原料，在氧化侣粉体中加入质量百分比为 7%的聚乙締醇造粒，在空气氛围中1600°C下烧结，保溫3小时，烧制得氧化侣陶瓷，其Er = 9.93，Qf = 5193GHz，Tf = -61.化pm/ °C，耐压性能为22.8kV/mm。
[0044] 综上所述，本发明采用组合氧化物渗杂能较大幅度提高氧化侣陶瓷的微波性能和 耐压性能。通过抑制晶粒生长，减少气孔率，提高陶瓷致密度，降低材料的微波介质损耗，提 高材料的Qf值，从而显著提高陶瓷的微波介电性能。Υ2〇3能稳定Zr化的结构，减少微裂纹的 产生，小晶粒可W获得较大面积的晶界，提供了少量载流子的迁移通道，不容易在晶粒中局 部积累，从而显著提高陶瓷的耐压性能。
[0045] 表1为实施例1~9中氧化侣微波介质陶瓷各组成质量百分比、微波介电性能、耐压 性能W及密度
[0046]
【主权项】
1. 一种氧化铝微波介质陶瓷，其特征在于，包括氧化铝、氧化钇、氧化锆和CMS混合物， 其中氧化铝的质量百分比为95%~98%，氧化钇的质量百分比为0.25%~0.75%，氧化锆 的质量百分比为〇%~3%，CMS混合物的质量百分比为1.25%~3.25%。2. 如权利要求1所述的一种氧化铝微波介质陶瓷，其特征在于，其中所述CMS混合物包 括氧化镁、氧化钙和氧化硅，氧化镁的质量百分比为18.6%，氧化钙的质量百分比为50.1 % ~56.0%，氧化硅的质量百分比为25.4%~31.3%。3. -种制备如权利要求1或2所述的氧化铝微波介质陶瓷的方法，其特征在于，包括如 下步骤： (1) 将质量百分比为95%~98%粒径在1~2μπι的氧化铝粉体、质量百分比为0.25%~ 0.75 %的氧化钇粉体、质量百分比为0 %~3 %的氧化锆粉体和质量百分比为1.25 %~ 3.25 %的CMS混合物粉体掺杂后得到混合物粉体； (2) 将上述混合物粉体湿法球磨、烘干、造粒并压成坯片，排胶烧结制得氧化铝微波介 质陶瓷。4. 如权利要求3所述的制备氧化铝微波介质陶瓷的方法，其特征在于，在步骤（1)之前 还包括CMS混合物粉体制备步骤:将质量百分比为64.2 %~69.5 %的碳酸钙、质量百分比为 12.9 %~13.3 %的氧化镁和质量百分比为17.6 %~22.5 %的氧化硅混合后在900 °C~1000 °C煅烧2h~3h。5. 如权利要求3所述的制备氧化铝微波介质陶瓷的方法，其特征在于，步骤(2)中湿法 球磨时间为6h~7h。6. 如权利要求3所述的制备氧化铝微波介质陶瓷的方法，其特征在于，步骤(2)中使用 质量百分比为7%~8%的聚乙烯醇造粒。7. 如权利要求3所述的制备氧化铝微波介质陶瓷的方法，其特征在于，步骤(2)中将混 合物粉体在50MPa~IOOMPa压成坯片。8. 如权利要求3所述制备氧化铝微波介质陶瓷的方法，其特征在于，步骤(2)中在氧气 气氛中600°C~650°C排胶5h~6h。9. 如权利要求3所述制备氧化铝微波介质陶瓷的方法，其特征在于，步骤(2)中时将坯 片在空气气氛中1500°C~1600°C下烧结，并保温3h~4h，制得氧化铝微波介质陶瓷。
【文档编号】C04B35/622GK105948723SQ201610505162
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】范桂芬, 王凯, 吕文中, 史玉升, 李晨辉, 雷文, 梁飞, 周静怡
【申请人】华中科技大学