一种CaTiO₃-CaTiSiO₅的激光合成方法

专利名称：一种CaTiO₃-CaTiSiO₅的激光合成方法
技术领域：
本发明属于高频介电陶瓷材料的制备技术领域，特别涉及一种CaTiO3-CaTiSiO5 的激光合成方法。
背景技术：
近年来随着通讯技术的迅猛发展，对以高频介质陶瓷为基础的电子元件提出了 更高的要求。为了满足电子设备不断对小型化、轻型化、集成化及高可靠性等的要求， 用不同的方法制备具有高介电常数、低介电损耗和低介电温度系数的高频介电陶瓷已 经成为当今研究的热点。CaTiO3-CaTiSiO5是一种优良的高频介电陶瓷，它是由单斜型 CaTiSiO5 (ε 40，tg δ 5Χ1(Γ4，α。 12 X 1(Γ4/ °C )和正交型 CaTiO3 ( ε 150， tg5 2. 5X10—4，α。 -18ΧΙΟ—4/°C)两相组成，当Ti Si为1 0. 5时材料具有较 高的介电常数(ε =82)、低的介电损耗(tgS =4X10_4)和较低的介电温度系数(α c = 0. 25X10_4/°C )，能够广泛应用于制作多层陶瓷电容器(MLCC)、多层基片、自动温控发热元 件、发光器件和 DRAM 器件等。Chen Qiao (Chen Qiao, Lin Xuping, Deng Changsheng and Yue Zhenxing. KeyEngineering Materials Vols. 368—372 (2008) pp748_750)、黄雯雯等人 (黄雯雯，凌志远，欧瑞江，何新华，张庆秋.低温烧结0. 5CaTi03-0. 5CaTiSi05高频介质陶 瓷·电子元件与材料，2003年6月，22 (6))通过添加2Zn0_B203玻璃实现CaTiO3-CaTiSiO5 高频介电材料的低温烧结并改善其介电性能，但是纯度不高，工艺复杂而且耗能。

发明内容
本发明的目的在于提供一种CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，以克服目前方法 制得的CaTiO3-CaTiSiO5纯度不高、工艺复杂、能耗大的缺陷。本发明采用的技术方案如下一种CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，以CaC03、TiO2和SiO2粉末为原料，充分 混合、研磨、压坯，采用功率可在5KW内调节的CO2气体激光器照射坯体使原料充分反应， 之后冷却凝固成瓷，即得到CaTiO3-CaTiSiO5 ；所述原料CaCO3> TiO2和SiO2的摩尔比为 1 1 0. 5。采用的原料以分析纯或以上纯度为佳。照射时间根据气体激光器的功率、离焦量的不同会有相应的变化。气体激光器的 功率主要在600-1300W间变化，离焦量为80-1200mm，照射时间为100_200s。具体的，气体激光器的功率为600-800W，离焦量为90_，照射时间为180_200s。气体激光器的功率为800-1300W且不为800w，离焦量为80_120mm优选90mm，照射 时间为100-180s。进一步，气体激光器的功率为800-1000W且不为800w，照射的时间为160_180s。气 体激光器的功率为1100-1200W，照射时间为130-150S。照射时坯体的两个面依次进行。
随着功率的增大、离焦量的缩小，照射时间可以相应缩短，同时获得产品的纯度趋 于增高。照射完毕后，直接关闭激光，试样自然冷却凝固成瓷。上述混合、研磨、压坯的制备技术为常规的陶瓷坯体制备技术。如研磨可如下进行在玛瑙研钵中研磨3_8h，110-130°C干燥后再研磨3_8h ；研磨 的时间根据原料的量进行调整，量多时研磨时间也相应延长；以IOg原料为准，研磨时间以 6-8h较好。压坯的操作为将充分混合的粉末在6-lOMPa压力下保压50-60s。优选在8MPa压 力下压坯，保压60s。坯体直径14mm，厚度2_4mm。该技术方案的原理是，在激光产生的高温熔池中，使充分混合的原材料CaC03、Ti02 和SiO2粉末发生以下化学反应2CaC03+2Ti02+Si02 = CaTi03+CaTiSi05+2C02在激光辐照产生的高温熔池中，CaC03、TiO2和SiO2粉末熔融，并且由于激光熔池 的对流和传质作用，CaC03、TiO2和SiO2能够充分混合均勻，在持续时间长达80-200S的时 间内，上述反应能够充分进行，因此可得到纯度较高的CaTi03-CaTiSi05。本发明方法的原材料为CaC03、Ti02和SiO2,成本低；采用大功率CO2激光直接照射 坯料，使其迅速熔融并快速冷却凝固生成CaTiO3-CaTiSiO5,省去了固相烧结方法中必不可 少的预烧环节，将烧结时间由12h左右大幅缩短到约140s，降低了能耗、成本，同时样品也 不受污染；制备的CaTiO3-CaTiSiO5结构致密，介电常数值较传统方法有显著的提高，由原 来的82提高到160，工艺重复性强。本发明相对于现有技术，有以下优点本发明工艺简单、成本低、耗时短、能耗低，获得的样品纯度高、结构致密、介电常 数较高，工艺重复性强。


图1为实施例1合成的CaTiO3-CaTiSiO5的粉末XRD2为实施例2合成的CaTiO3-CaTiSiO5的粉末XRD3为实施例3合成的CaTiO3-CaTiSiO5的粉末XRD4为实施例3合成的CaTiO3-CaTiSiO5的块体XRD5为实施例4合成的CaTiO3-CaTiSiO5的粉末XRD6为实施例3合成的CaTiO3-CaTiSiO5的断面放大300倍的SEM照片；图7为实施例3合成的CaTiO3-CaTiSiO5的断面放大500倍的SEM照片。
具体实施例方式以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此实施例1以下实施例中所用CaC03、TiO2和SiO2粉末的纯度皆为99. 0%。将CaCO3^TiO2和SiO2粉末按1 1 0. 5摩尔比混合，总量为IOg,在玛瑙研钵中 研磨8h，120°C干燥2h后再于玛瑙研钵中研磨8h。将充分混合的粉末在SMpa压力下压坯，
4保压60s。坯体直径14mm，厚度3mm。将坯体置于样品台上，用激光功率为800W，离焦量90mm的CO2激光束直接照射坯 体，照射时间为190s。将制备的样品以粉末状进行X射线衍射(XRD)、密度和介电常数等测 试，测试结果见图1及表1。图1的XRD结果显示合成了高纯的CaTiO3-CaTiSiO5相。实施例2与实施例1的不同之处在于激光功率为1000W，照射时间为170s。将制备样品进 行加工处理，将制备的样品以粉末状进行X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、密度和 介电常数等测试，测试结果见图2及表1。实施例3与实施例1的不同之处在于激光功率为1200W，照射时间为140s。将制备样品进 行加工处理，将制备的样品分别以块状、粉末状分别进行X射线衍射(XRD)、扫描电子显微 镜(SEM)、密度和介电常数等测试，测试结果见图3、4、6、7及表1。其中图3是粉末的XRD图，表明本发明能够制得高纯度的CaTiO3-CaTiSiO5高频陶 瓷，图4是块状的XRD图，说明激光烧结有很强取向生长。图6是断面放大300倍的SEM照 片，表明所制备的CaTiO3-CaTiSiO5的微观组织比较致密，没有气孔存在；图7是断面放大 500倍的SEM照片，能够清晰地看到晶粒较大，呈枝晶状结构生长，且有定向生长的特征。密 度测量值为3. 64g/cm3，高达理论密度值(3. 72g/cm3)的97. 84%。在IMHz下，测量其介电 常数ε为160，与传统方法制备的样品相比，提高1.9倍左右。实施例4与实施例1的不同之处在于激光功率为1300W，照射时间为100s。将制备样品加 工处理，将制备的样品以粉末状进行X射线衍射(XRD)、进行密度和介电性能测试，测试结 果见图5及表1。图4的XRD结果显示形成了纯的CaTiO3-CaTiSiO5相。表1为实施例1-4中不同工艺参数所合成样品的性能测试结果。表 1 本实验介电性能的测试仪器为Agilent 4294A精密阻抗分析仪。
权利要求
一种CaTiO3 CaTiSiO5的激光合成方法，其特征在于，以CaCO3、TiO2和SiO2粉末为原料，充分混合、研磨、压坯，采用功率可在5KW以内变化的CO2气体激光器照射坯体使原料充分反应，之后冷却凝固成瓷，即得到CaTiO3 CaTiSiO5；所述原料CaCO3、TiO2和SiO2的摩尔比为1∶1∶0.5。
2.如权利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，其特征在于，气体激光器的 功率为600-800W，离焦量为90mm，照射时间为180_200s。
3.如权利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，其特征在于，气体激光器的 功率为800-1300W且不为800w，离焦量为80_120mm，照射时间为100_180s。
4.如权利要求3所述的CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，其特征在于，气体激光器的 功率为800-1000W且不为800w，照射的时间为160_180s。
5.如权利要求3所述的CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，其特征在于，气体激光器的 功率为1100-1200W，照射时间为130-150s。
6.如权利要求3-5之一所述的CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，其特征在于，离焦量 为 90mm。
7.如权利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，其特征在于，研磨操作如下 在玛瑙研钵中研磨3-8h，110-130°C干燥后再研磨3-8h。
8.如权利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，其特征在于，压坯的操作为 将充分混合的粉末在6-lOMPa压力下保压50-60s。
9.如权利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的激光合成方法，其特征在于，坯体直径为 14mm,厚度 2-4mm。
全文摘要
本发明属于高频介质陶瓷材料的制备技术领域，特别涉及一种CaTiO3-CaTiSiO5的激光快速合成方法。以分析纯CaCO3、TiO2和SiO2粉末为原料，充分混合、研磨、压坯，之后用600-1300W的CO2激光束照射使物料反应，然后冷却凝固成瓷，制得CaTiO3-CaTiSiO5；所述CaCO3、TiO2和SiO2的物质的摩尔比为1∶1∶0.5。本发明工艺简单、纯度高、成本低、能耗低，获得的样品密度大、介电常数高，工艺重复性好。
文档编号C04B35/465GK101928138SQ20101026922
公开日2010年12月29日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者张俊吉, 晁明举, 李明玉, 梁二军, 田得雨 申请人:郑州大学