一种低温烧结Zn2Si04微波介质陶瓷的方法
【专利摘要】一种低温烧结2!!28104微波介质陶瓷的方法，取Zn2Si04微波介质陶瓷粉体，加入聚乙二醇超声分散、再加入饱和CuS04、和还原性金属粉进行机械搅拌、抽滤、干燥、锻烧、过筛、成型烧结得到Zn2Si04微波介质陶瓷；本发明过程无污染，在介电常数基本保持不变的同时，烧结温度在135CTC的基础上降低了约350°C，Q?f可以达到60000GHz以上，谐振频率温度系数向正方向移动，实现了与Cu电极共烧。
【专利说明】一种低温烧结Zn2S i O4微波介质陶瓷的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料科学中的微波介质陶瓷领域，具体的说是涉及一种化学置换法引 入氧化物助烧剂降低Zn2SiO4微波介质陶瓷烧结温度的方法。
【背景技术】
[0002] Zn2SiO4是一种重要的化合物，具有其特有的物理及化学特性，被广泛的运用于制 造生物材料、荧光材料和微波介质陶瓷。Zn 2SiO4由于具有优异的介电性能，较低的介电损 耗(理想的品质因子为219000GHz)、稳定的介电常数（ε ,=6. 6)和较高的热导率，在低温共 烧（LTCC)技术中具有广泛的应用潜力。但是Zn2SiO4陶瓷固有烧结温度在1300°C以上， 对于LTCC技术，Zn 2SiO4陶瓷较高的烧结温度不能满足与较低熔点的金属Ag (961°C)、Cu (1064°C )共烧，所以降低烧结温度显得非常重要。
[0003] 最常用的降低烧结温度的方法是掺入适量的低熔点氧化物或低软化点玻璃，但是 传统的固相法添加在降低烧结温度的同时会恶化陶瓷的介电性能，这是因为采用传统的固 相添加，是通过机械法混合陶瓷粉体和助烧剂，这使得助烧剂混合不均，从而增加助烧剂的 用量；再者，助烧剂的介电性能较差，所以过多的助烧剂会恶化陶瓷的介电性能：（1)材料 的主晶相与玻璃相之间发生化学反应，产生第二相，导致主晶相含量减少，或有杂质相生 成；（2)材料内部因有玻璃相存在，而使得其本征损耗增大；（3)晶格缺陷的产生。因此， 必须优化现有的引入助烧剂的方式，或寻求一种新的方式，以减小助烧剂对陶瓷介电性能 的负面影响。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决上述技术问题，提供一种低温烧结Zn2SiO4微波介质陶瓷的方法， 其不仅能够降低Zn 2SiO4微波介质陶瓷烧结温度而且保持了该微波介质陶瓷优异的介电性 能，实现了微波介质陶瓷与Cu电极的共烧。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种低温烧结Zn2SiO4微波介质陶瓷的方法，包括以 下步骤： 步骤一：称取Zn2SiO4微波介质陶瓷粉体，并向其中加入聚乙二醇和去离子水，磁力搅 拌配成悬浊液备用； 步骤二、向步骤一配制的悬浊液中同时加饱和CuSO4溶液和用于置换饱和CuSO4溶液中 金属Cu的还原性金属粉，使Zn2+和Cu2+的摩尔比为1 : (0. 〇Γ〇. 09)，机械搅拌Ih后，备用； 步骤三、将步骤二得到的溶液静置12h后进行抽滤，将抽滤后的粉体进行多次水洗和 醇洗后备用； 步骤四、将步骤三取得的粉体放入干燥箱，在60-80°C条件下干燥12h，备用； 步骤五、将步骤四中干燥后的粉体放入马弗炉中加热到500°C，保温lh，制得CuO与 Zn2SiO4基体物质的的复合粉体，备用； 步骤六、向步骤五加热后的粉体中加入占其质量5%-10%的粘结剂进行造粒，然后过 60-80目筛后用压片机压制成生坯，备用； 步骤七、将步骤六压制成型的生坯以1-1. 5°C /min升温到600°C，排胶I. 5-2h，然后以 3-5°C /min，升温至950-1KKTC进行烧结，保温2-4h后，制得Zn2SiO4微波介质陶瓷。
[0006] 所述步骤六中采用的粘合剂为聚乙烯醇，其浓度为0. lg/ml。
[0007] 所述步骤六中压片机采用压力为150-200MPa，生坯为〇10mmX5mm的圆柱体。
[0008] 本发明中，通过控制还原性金属粉的加入量确保，最终生成的CuO占 Zn2SiO4微波 介质陶瓷基料总重的39Γ6%。
[0009] 本发明的有益效果： (1) 本发明步骤一种通过向陶瓷粉体中加入聚乙二醇水溶液并进行磁力搅拌，有效降 低了 Zn2SiO4粉体的团聚； (2) 本发明中，通过置换法引入CuO与传统固相法相比使CuO在Zn2SiO4基体中分布分 布更加均匀，更加有利于降低烧结温度； (3) 本发明中生坯950-1KKTC进行烧结2~4h，在烧结过程中，随着烧结温度升高，CuO 与Zn2SiO4陶瓷的基体物质形成低共熔物(液相)，液相浸润固体颗粒，固体颗粒在液相产生 巨大的毛细管力的作用下相互靠近，同时发生滑移、重排，有效促进了烧结。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为利用化学置换法引入CuO的自由表面的不同位置的能谱分析图； 图2为图1中不同位置的元素含量附表； 图3为本发明具体实施例； 图4为具体实施例中微波介电性能的测试结果图； 图5为助烧剂对实验性能的影响图。
【具体实施方式】
[0011] 如图所示，一种低温烧结Zn2SiO4微波介质陶瓷的方法，包括以下步骤： 步骤一：称取Zn2SiO4微波介质陶瓷粉体，并向其中加入聚乙二醇和去离子水，磁力搅 拌配成悬浊液备用； 步骤二、向步骤一配制的悬浊液中同时加饱和CuSO4溶液和用于置换饱和CuSO4溶液中 金属Cu的还原性金属粉，使Zn2+和Cu2+的摩尔比为1 : (0. 〇Γ〇. 09)，机械搅拌Ih后，备用； 步骤三、将步骤二得到的溶液静置12h后进行抽滤，将抽滤后的粉体进行多次水洗和 醇洗后备用； 步骤四、将步骤三取得的粉体放入干燥箱，在60-80°C条件下干燥12h，备用； 步骤五、将步骤四中干燥后的粉体放入马弗炉中加热到500°C，保温lh，制得CuO与 Zn2SiO4基体物质的的复合粉体，备用； 步骤六、向步骤五加热后的粉体中加入占其质量5%-10%的粘结剂进行造粒，然后过 60-80目筛后用压片机压制成生坯，备用； 步骤七、将步骤六压制成型的生坯以1-1. 5°C /min升温到600°C，排胶I. 5-2h，然后以 3-5°C /min，升温至950-1KKTC进行烧结，保温2-4h后，制得Zn2SiO4微波介质陶瓷。
[0012] 所述步骤六中采用的粘合剂为聚乙烯醇，其浓度为0. lg/ml。
[0013] 所述步骤六中压片机采用压力为150-200MPa，生坯为〇10mmX5mm的圆柱体。
[0014] 下面结合实施例详细阐述本发明。
[0015] 一种低温烧结Zn2SiO4微波介质陶瓷的方法，包括以下步骤： 步骤一：称取20g Zn2SiO4微波介质陶瓷粉体，并向其加入500-1000mL、质量分数为 0. 5-lwt%的聚乙二醇水溶液，磁力搅拌15-30min，配成悬浊液备用； 步骤二、向步骤一配制的悬浊液中同时加入0. 008-0. 02mol的饱和CuSO4溶液和用于 置换饱和CuSO4溶液中金属Cu的还原性金属粉，机械搅拌Ih后，备用； 步骤三、将步骤二得到的溶液静置12h后进行抽滤，将抽滤后的粉体进行多次水洗和 醇洗后备用； 步骤四、将步骤三取得的粉体放入干燥箱，在60-80°C条件下干燥12h，备用； 步骤五、将步骤四中干燥后的粉体放入马弗炉中加热到500°C，保温lh，制得CuO与 Zn2SiO4基体物质的低共熔物，备用； 步骤六、向步骤五加热后的粉体中加入占其质量5%-10%的粘结剂进行造粒，然后过 60-80目筛后用压片机压制成生坯，备用； 步骤七、将步骤六压制成型的生坯以1-1. 5°C /min升温到600°C，排胶I. 5-2h，然后以 3-5°C /min，升温至950-1KKTC进行烧结，保温2-4h后，制得Zn2SiO4微波介质陶瓷。
[0016] 所述步骤六中采用的粘合剂为聚乙烯醇，其浓度为0. lg/ml。
[0017] 所述步骤六中压片机采用压力为150-200MPa，生坯为〇10mmX5mm的圆柱体。
[0018] 本发明中测试方法和检测设备如下： 1、 样品的直径和厚度使用千分尺进行测量； 2、 借助Agilent N5230C-220矢量网络分析仪和DWB2-6高低温实验箱测量2(T80°C的 谐振频率及品质因数； 3、 采用闭式腔法测量所制备圆柱形陶瓷样品的品质因数，测量频率范围在13-14GHZ 范围内。
[0019] 本发明中CuO的生成量为5wt%，在KKKTC下烧结3h，陶瓷获得最优的微波介电 性能：介电常数er= 6.5，Qf= 67342GHz，τ--= -23ppm/°C。通过此种方法，不仅降低了 Zn2Si04陶瓷的烧结温度，同时降低了助烧剂对陶瓷介电性能的负面影响。
[0020] 本发明通过向微波介电陶瓷粉体中加入聚乙二醇水溶液和磁力搅拌得到Zn2SiO 4 的悬浊液，在一定程度上减轻了 Zn2SiO4粉体的团聚，然后通过化学置换法从饱和CuSO4溶 液中置换出Cu,得到Cu-Zn 2SiO4的前驱体，通过加热氧化反应最终得到CuO-Zn2SiO4的复合 粉体。置换法引入CuO要比固相法引入使CuO在基体粉中分布的更加均匀（见附图1、附图 2)，CuO的加入不影响Zn 2SiO4相的生成。在烧结过程中，随着烧结温度升高，CuO与Zn2SiO 4 陶瓷的基体物质形成低共熔物(液相)，液相浸润固体颗粒，固体颗粒在液相产生巨大的毛 细管力的作用下相互靠近，同时发生滑移、重排，从而促进了烧结。与固相法相比，降低了同 样的烧结温度时，其介电性能要远远优于固相法，如图5所示。
【权利要求】
1. 一种低温烧结Zn2SiO4微波介质陶瓷的方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一：称取Zn2SiO4微波介质陶瓷粉体，并向其中加入聚乙二醇和去离子水，磁力搅 拌配成悬浊液备用； 步骤二、向步骤一配制的悬浊液中同时加饱和CuSO4溶液和用于置换饱和CuSO4溶液中 金属Cu的还原性金属粉，使Zn2+和Cu2+的摩尔比为1 : (0. 〇Γ〇. 09)，机械搅拌Ih后，备用； 步骤三、将步骤二得到的溶液静置12h后进行抽滤，将抽滤后的粉体进行多次水洗和 醇洗后备用； 步骤四、将步骤三取得的粉体放入干燥箱，在60-80°C条件下干燥12h，备用； 步骤五、将步骤四中干燥后的粉体放入马弗炉中加热到500°C，保温lh，制得CuO与 Zn2SiO4的复合粉体，备用； 步骤六、向步骤五加热后的粉体中加入占其质量5%-10%的粘结剂进行造粒，然后过 60-80目筛后用压片机压制成生坯，备用； 步骤七、将步骤六压制成型的生坯以1-1. 5°C /min升温到600°C，排胶I. 5-2h，然后以 3-5°C /min，升温至950-1KKTC进行烧结，保温2-4h后，制得Zn2SiO4微波介质陶瓷。
2. 如权利要求1所述的一种低温烧结Zn2SiO4微波介质陶瓷的方法，其特征在于：所述 步骤六中采用的粘合剂为聚乙烯醇，其浓度为0. lg/ml。
3. 如权利要求1所述的一种低温烧结Zn2SiO4微波介质陶瓷的方法，其特征在于：所述 步骤六中压片机采用压力为150-200MPa，生坯为Φ IOmmX 5mm的圆柱体。
【文档编号】C04B35/64GK104211383SQ201410422743
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】李谦, 胡婧雯, 李丽华, 黄金亮, 顾永军 申请人:河南科技大学