一种Li₂MTi₃O₈微波介质陶瓷的微波烧结方法

专利名称：一种Li₂MTi₃O₈微波介质陶瓷的微波烧结方法
技术领域：
本发明属于电子陶瓷制造工艺技术领域。具体是一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法，
背景技术：
微波介质陶瓷是近30年来发展起来的应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，在移动通讯、卫星通信、军用雷达、全球定位系统、蓝牙技术、无线局域网等现代通信中被广泛用作谐振器、滤波器、介质基片、介质导波回路等元器件，是现代通信技术的关键基础材料。微波烧结技术是一种新型材料制备技术，其加热原理是利用在微波电磁场中材料的介质损耗使其整体升温至一定温度的快速加热新技术，和常规电热烧结相比，微波加热具有快速、高效、节能以及改善材料组织结构、提高材料性能、环保等一系列优势。近年来，微波烧结新技术正迅猛发展，各种不同类型的微波烧结装置相继问世，微波炉可达到1800°C的高温，最高甚至可达到2300°C。用微波炉成功了制备了 A1203、SiO2,SiO J2O3-ZrO2JiO2、超导材料TOC0、电子陶瓷BaTi03、PZT压电陶瓷、生物陶瓷等陶瓷材料，并实现产业化应用。

发明内容
本发明目的在于克服常规电热烧结的不足，提供一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法，该方法在加热过程中，材料内部温度梯度很小，热应力也很小，即使在很高的升温速率情况下，一般也不会造成材料的开裂。而且与传统的固相烧结相比，降低了烧结温度、缩短了烧结时间、改善了材料微波介电性能，而且可以控制材料的显微结构，并且具有瞬时性、无污染性。本发明解决上述技术问题的技术方案如下。1. 一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料，其化学组成为Li2MTi3O8,其中M元素为Zn、Ni、Co、Mg 中的一种。2. 一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料的微波烧结方法，采用微波烧结制备工艺，制备步骤如下1)首先将分析纯原料 Li2C03、Co203、ZnO, MgO, Ni2O3 和按化学式 Li2MTi3O8 称量配制成主粉体；2)将步骤1)中主粉体湿式球磨混合4 8小时，溶剂为去离子水，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧40分钟 150分钟，预烧温度800°C 950°C，升温速率5 15°C /分钟，保温时间5分钟 60分钟；3)将步骤幻中预烧粉体粉碎后，添加粘结剂并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度550 650°C，升温速率1°C 5°C /分钟，保温3 8小时，得到排胶后的陶瓷生坯；所述的粘结剂为质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，剂量占预烧粉体总重量的3% 15% ；4)将排胶后的陶瓷生坯放入微波烧结炉的炉腔内进行烧结80分钟 200分钟，烧结温度1000°C 1100°C，保温时间5分钟 60分钟，然后以3 8°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却。即可得到微波烧结Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料。上述的步骤2、中的炉腔的腔壁为氧化物陶瓷或氧化物陶瓷纤维包裹形成的炉腔腔壁。上述的步骤2)和步骤3)中的测温装置均采用的是测温范围为385°C 1600°C的红外测温仪。上述的步骤2)中的预烧粉体和步骤3)中的Li2MTi3O8微波介质陶瓷的相组成均为尖晶石结构。本发明所述的一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法，该方法具有以下特占.1.本发明与传统的固相反应法相比，预烧时间和烧结时间由传统的10 25小时缩短到1 6小时，大大地节约了能源，缩短了工艺生产周期，提高了生产效率。2.本发明解决了常规烧结法材料晶粒生长一致性差的难题，产品的品质因子相比传统烧结法烧结的产品提高了 10% 20%，即QXf值高达5000 80000GHz，高频介电常数(ε r)达到20 30，及谐振频率温度系数(τ f)小。3.本发明方法环保。


图1为本发明微波烧结Li2ZnTi3O8预烧粉体的温度曲线图。图中横坐标表示时间，纵坐标表示温度，a曲线为微波烧结控制曲线，b曲线为传统烧结温度控制曲线。图2为本发明微波烧结Li2ZnTi3O8微波介质陶瓷的温度曲线图。图中横坐标表示时间，纵坐标表示温度，a曲线为微波烧结控制曲线，b曲线为传统烧结温度控制曲线。
具体实施例方式本发明以分析纯原料Li2C03、Co2O3、&i0、Mg0、Ni2O3和TW2为主要原料。先按化学式Li2MTi3O8称量配制，预先放入微波炉煅烧合成主粉体，然后将预烧粉体添加粘结剂并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，而后放到微波炉进行微波烧结，即可得到微波烧结Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料。下面结合实施例对本发明作进一步描述。需要指出的是，按照本发明的技术方案，下述实施例还可以举出许多，根据申请人大量的实验结果证明，在本发明的权利要求书所提出的范围，均可以达到本发明的目的。实施例1 =Li2ZnTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法具体按照以下步骤实施1.首先取分析纯原料 Li2C031308 . 72g,Zn0 1447. 66g和 Ti&4243. 62g 混合配制成主粉体；
2.将步骤1中主粉体加入去离子水7kg湿式球磨混合4小时，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧110分钟，预烧温度825°C，升温速率10°C /分钟，保温时间30分钟，如附图1中微波烧结曲线a所示；3.将步骤2中预烧粉体粉碎后，添加质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液700g并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度650°C，升温速率2V /分钟，保温4小时，然后放入2. 45GHz微波烧结炉的炉腔内，在室温至600°C温区加微波功率为1. Okff,升温速率为10°C /分钟，在600 1025°C温区加微波功率1. 5 2. 2kff,升温速率为15°C /分钟，在1025°C保温30分钟，然后以7°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却，如附图2中微波烧结曲线a所示，即可得到微波烧结Li2SiTi3O8微波介质陶瓷材料。该材料的相对密度达 96%，微波介电性能为ε r = 26. 1, QXf = 79800GHz, Tf = -12. lppm,C。实施例2 =Li2ZnTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法具体按照以下步骤实施1.首先取分析纯原料 Li2C031308 . 72g,Zn0 1447. 66g和 Ti&4243. 62g 混合配制成主粉体；2.将步骤1中主粉体加入去离子水Ag，湿式球磨混合4小时，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧80分钟，预烧温度850°C，升温速率15°C/分钟，保温时间25分钟;3.将步骤2中预烧粉体粉碎后，添加质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液700g，并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度650°C，升温速率1°C /分钟，保温4小时，然后放入2. 45GHz微波烧结炉的炉腔内，在室温至600°C温区加微波功率为1. Okff,升温速率为10°C /分钟，在600 1075°C温区加微波功率1. 5 2. 2kff,升温速率为15°C /分钟，在1075°C保温40分钟，然后以8°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却，即可得到微波烧结Li2ZnTi3O8微波介质陶瓷材料。该材料的相对密度达95. 7%，微波介电性能为ε r = 25. 9，QXf = 78600GHz, Tf = -11. 3ppm/°C。实施例3 =Li2NiTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法具体按照以下步骤实施1.首先取分析纯原料 Li2C03130 3 . 08g、Ni2031471. 56g 和 Ti024225. 36g 混合配制成主粉体；2.将步骤1中主粉体加入去离子水Ag，湿式球磨混合4小时，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧115分钟，预烧温度850°C，升温速率10°C/分钟，保温时间30分钟;3.将步骤2中预烧粉体粉碎后，添加质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液700g，并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度650°C，升温速率2°C /分钟，保温4小时，然后放入2. 45GHz微波烧结炉的炉腔内，在室温至600°C温区加微波功率为1. OkW，升温速率为10°C /分钟，在600 1050°C温区加微波功率1. 5 2. 2kW，升温速率为15°C /分钟，在1050°C保温30分钟，然后以7°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却，即可得到微波烧结Li2NiTi3O8微波介质陶瓷材料。该材料的相对密度达94%，微波介电性能为ε r = 24. 8, QXf = 8100GHz, τ f = 26. 4ppm/°C。实施例4 =Li2NiTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法
具体按照以下步骤实施1.首先取分析纯原料 Li2C03130 3 . 08g、Ni2031471. 56g 和 Ti024225. 36g 混合配制成主粉体；2.将步骤1中主粉体加入去离子水Ag，湿式球磨混合4小时，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧80分钟，预烧温度850°C，升温速率15°C/分钟，保温时间25分钟;3.将步骤2中预烧粉体粉碎后，添加质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液700g，并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度650°C，升温速率2°C /分钟，保温4小时，然后放入2. 45GHz微波烧结炉的炉腔内，在室温至600°C温区加微波功率为1. OkW，升温速率为10°C /分钟，在600 1075°C温区加微波功率1. 5 2. 2kW，升温速率为15°C /分钟，在1075°C保温10分钟，然后以6°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却，即可得到微波烧结Li2NiTi3O8微波介质陶瓷材料。该材料的相对密度达95. 1%，微波介电性能为ε r = 24. 9, QXf = 10100GHz, Tf = 24.2ppm/°C。实施例5 =Li2CoTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法具体按照以下步骤实施1.首先取分析纯原料 Li2C03130 2 . 29g, Co2031474. 93g 和 Ti&4222. 78g 混合配制成主粉体；2.将步骤1中主粉体加入去离子水Ag，湿式球磨混合4小时，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧113分钟，预烧温度850°C，升温速率10°C/分钟，保温时间30分钟;3.将步骤2中预烧粉体粉碎后，添加质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液700g，并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度650°C，升温速率2V /分钟，保温4小时，然后放入2. 45GHz微波烧结炉的炉腔内，在室温至600°C温区加微波功率为1. Okff,升温速率为10°C /分钟，在600 1000°C温区加微波功率1. 5 2. 2kff,升温速率为15°C /分钟，在1000°C保温30分钟，然后以7°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却，即可得到微波烧结Li2CoTi3O8微波介质陶瓷材料。该材料的相对密度达96. 2%，微波介电性能为ε r = 28. 7, QXf = 49700GHz, τ f = 6. 8ppm/°C。实施例6 =Li2CoTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法具体按照以下步骤实施1.首先取分析纯原料 Li2C03130 2 . 29g, Co2031474. 93g 和 Ti&4222. 78g 混合配制成主粉体；2.将步骤1中主粉体加入去离子水Ag，湿式球磨混合4小时，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧98分钟，预烧温度900°C，升温速率10°C/分钟，保温时间10分钟;3.将步骤2中预烧粉体粉碎后，添加质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液700g，并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度600°C，升温速率2°C /分钟，保温4小时，然后放入2. 45GHz微波烧结炉的炉腔内，在室温至600°C温区加微波功率为1. OkW，升温速率为10°C /分钟，在600 1025°C温区加微波功率1. 5 2. 2kW，升温速率为15°C /分钟，在1025°C保温30分钟，然后以7°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却，即可得到微波烧结Li2CoTi3O8微波介质陶瓷材料。该材料的相对密度达97. 3%，微波介电性能为ε τ = 28. 9, QXf = 54700GHz, τ f = 7. lppm/°C。实施例7 =Li2MgTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法具体按照以下步骤实施1.首先取分析纯原料 Li2C031461. 31g、MgO 800. 29g 和 Ti&4738. 41g 混合配制成
主粉体；2.将步骤1中主粉体加入去离子水Ag，湿式球磨混合4小时，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧113分钟，预烧温度850°C，升温速率10°C/分钟，保温时间30分钟;3.将步骤2中预烧粉体粉碎后，添加质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液700g，并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度650°C，升温速率2V /分钟，保温4小时，然后放入2. 45GHz微波烧结炉的炉腔内，在室温至600°C温区加微波功率为1. Okff,升温速率为10°C /分钟，在600 1025°C温区加微波功率1. 5 2. 2kff,升温速率为15°C /分钟，在1025°C保温30分钟，然后以7°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却，即可得到微波烧结Li2MgTi3O8微波介质陶瓷材料。该材料的相对密度达95. 1%，微波介电性能为ε r = 27. 1, QXf = 50100GHz, τ f = 3. lppm/°C。实施例8 =Li2MgTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法具体按照以下步骤实施1.首先取分析纯原料 Li2C031461. 31g、MgO 800. 29g 和 Ti&4738. 41g 混合配制成
主粉体；；2.将步骤1中主粉体加入去离子水Ag，湿式球磨混合4小时，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧82分钟，预烧温度875 °C，升温速率15°C/分钟，保温时间25分钟;3.将步骤2中预烧粉体粉碎后，添加质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液700g，并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度600°C，升温速率1°C /分钟，保温4小时，然后放入2. 45GHz微波烧结炉的炉腔内，在室温至600°C温区加微波功率为1. OkW，升温速率为8°C /分钟，在600 1075°C温区加微波功率1. 5 2. 2kW，升温速率为15°C /分钟，在1075°C保温10分钟，然后以7°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却，即可得到微波烧结Li2MgTi3O8微波介质陶瓷材料。该材料的相对密度达94. 3%，微波介电性能为ε τ = 27. 2, QXf = 43700GHz, τ f = 4. 5ppm/°C。
权利要求
1.一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料，其特征在于，其化学组成为Li2MTi3O8,其中M元素为 Zn、Ni、Co、Mg 中的一种。
2.—种Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料的微波烧结方法，其特征在于，采用微波烧结制备工艺，制备步骤如下1)首先将分析纯原料Li2C03、Co2O3>ZnO, MgO、Ni2O3和TW2按化学式Li2MTi3O8称量配制成主粉体；2)将步骤1)中主粉体湿式球磨混合4 8小时，溶剂为去离子水，烘干后粉料放入烧结钵中，将烧结钵放入微波烧结炉的炉腔内进行预烧40分钟 150分钟，预烧温度800°C 9500C，升温速率5 15°C /分钟，保温时间5分钟 60分钟；3)将步骤幻中预烧粉体粉碎后，添加粘结剂并造粒，再压制成型，最后将陶瓷生坯放入电阻炉进行排胶，排胶温度550 650°C，升温速率1°C 5°C /分钟，保温3 8小时，得到排胶后的陶瓷生坯；所述的粘结剂为质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液，剂量占预烧粉体总重量的3% 15% ；4)将排胶后的陶瓷生坯放入微波烧结炉的炉腔内进行烧结80分钟 200分钟，烧结温度1000°C 1100°C，保温时间5分钟 60分钟，然后以3 8°C /分钟降温至700°C关闭微波源，自然冷却，即可得到微波烧结Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述的一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料的微波烧结方法，其特征在于，所述的步骤2、中的炉腔的腔壁为氧化物陶瓷或氧化物陶瓷纤维包裹形成的炉腔腔壁。
4.根据权利要求2所述的一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料的微波烧结方法，其特征在于，所述的步骤2)和步骤3)中的测温装置均采用的是测温范围为385°C 1600°C的红外测温仪。
5.根据权利要求2所述的一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料的微波烧结方法，其特征在于，所述的步骤2)中的预烧粉体和步骤3)中的Li2MTi3O8微波介质陶瓷的相组成均为尖晶石结构。
全文摘要
本发明公开了一种Li2MTi3O8微波介质陶瓷的微波烧结方法。该微波介质陶瓷材料化学通式为Li2MTi3O8，其中M元素为Zn、Ni、Co、Mg中的一种。该材料由分析纯原料Li2CO3、Co2O3、ZnO、MgO、Ni2O3和TiO2按化学式Li2MTi3O8称量配制，经湿式球磨混合烘干、微波预烧、造粒、压制成型、排胶、微波烧结等工序得到微波烧结Li2MTi3O8微波介质陶瓷材料。本发明由于采用的是微波烧结的工艺，利用此方法可以缩短预烧时间和烧结时间，降低烧结温度，大大节约了能源，降低了生产成本，而且环保，具有重要的工业应用价值。
文档编号C04B35/462GK102390994SQ20111023373
公开日2012年3月28日 申请日期2011年8月16日 优先权日2011年8月16日
发明者周军伟, 常宝成, 蔡燕秋, 褚冬进, 覃远东 申请人:广西新未来信息产业股份有限公司