以CaF₂為助熔劑燒結(jié)合成鈮酸釔微波介電陶瓷的方法

專(zhuān)利名稱(chēng)：以CaF₂為助熔劑燒結(jié)合成鈮酸釔微波介電陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉一種微波介電功能陶瓷材料。
背景技術(shù)：
鈮酸釔(YNb04)陶瓷是稀土陶瓷(固IA， R代表La至Lu包括Y的稀土元素) 之一，已被發(fā)現(xiàn)具有獨(dú)特的疇結(jié)構(gòu)和不同于一般的力學(xué)行為以及光學(xué)和磁學(xué)性 質(zhì)90年代中起，各國(guó)研究者如美國(guó)的Jian Li和C. M. Wayman就YNb04單晶和陶 瓷多晶材料對(duì)有關(guān)機(jī)理和力學(xué)方面的行為進(jìn)行了深入的研究。歐洲的S. Maschio 等、日本的T. Takagi等和臺(tái)灣的Sheng Dih Yuh等則分別基于不同的分析對(duì)YNb(^ 相復(fù)合增韌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。俄羅斯的研究人員通過(guò)對(duì)YNb04進(jìn)行的X-射線(xiàn)光電 子能譜分析(XPS)，研究了稀土離子的4f電子的譜線(xiàn)特征和原子的交換作用， 提供了精細(xì)結(jié)構(gòu)方面的信息。有關(guān)YNb04光學(xué)性能方面最新的報(bào)道是中國(guó)的Bing Yan關(guān)于YNb04: RE3+(RE = Sm， Tb, Er)發(fā)光性能的研究。
二十世紀(jì)80年代以來(lái)，由于移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信向微波頻段的快速發(fā)展， 使得鈮酸鹽微波介質(zhì)陶瓷材料的研究越來(lái)越受到人們的重視。目前己開(kāi)發(fā)的高Q 值、高e的微波介質(zhì)陶瓷都是由氧八面體為骨架連接而成的復(fù)合鈣鈦礦型、鎢 青銅型、層狀類(lèi)鈣鈦礦型氧化物，主要集中在以[Ti06]、 [Nb06]與[Ta06]八面體為 骨架的復(fù)合氧化物。由于YNb04結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于現(xiàn)行常用的鈦酸鈣結(jié)構(gòu)陶瓷，又具 有以[Nb0e]八面體為骨架的層狀結(jié)構(gòu)，更兼具有稀土元素的特殊性質(zhì)，YNbO, 陶瓷還將在微波介電陶瓷領(lǐng)域有十分獨(dú)特的地位和價(jià)值，但目前對(duì)其制備方法 和介電性質(zhì)還未見(jiàn)專(zhuān)門(mén)的研究報(bào)道。
申請(qǐng)?zhí)?007 1 0177476. 2的發(fā)明名稱(chēng)為"可用于微波介電陶瓷的鈮酸釔固 相反應(yīng)合成燒結(jié)方法"所公開(kāi)的方法獲得的YNb04陶瓷的室溫介電常數(shù)e為 7~26。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題提供一種介電常數(shù)e達(dá)到498的YNb04陶瓷 材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案反應(yīng)燒結(jié)就是利用各原料之間的化學(xué)反應(yīng)，在燒結(jié)過(guò) 程中原位形成熱力學(xué)穩(wěn)定組成相的制備工藝。本發(fā)明研究了以不同含量的氟化 鈣(CaF2)作為助熔劑，通過(guò)五氧化二鈮(NbA)與三氧化二釔(YA)的固相 反應(yīng)合成制備致密YNb04陶瓷，特點(diǎn)是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間混合均勻，壓力成型，然后在 1050。C至1350。C的范圍內(nèi)反應(yīng)燒結(jié)合成得到Y(jié)Nb04陶瓷，其中含有第二相CaNbA。 當(dāng)燒結(jié)溫度為1350。C，保溫時(shí)間O. 5h， CaF2摻雜量為2.0X時(shí)，YNba陶瓷的介電 常數(shù)e達(dá)到最大為498。
以CaF2為助熔劑燒結(jié)合成鈮酸釔微波介電陶瓷的方法，該方法的具體步驟
為
步驟1，原料粉的稱(chēng)量，稱(chēng)取摩爾比1: 1的Y203、 Nb205粉，Nb20s的純 度為99. 9%， d5Q=8. 3微米和Y203的純度為99. 8%， d5。=7. 9微米，置于球磨罐中； 按質(zhì)量百分比稱(chēng)取Y203粉和Nb20s粉總量的0.1% 2.0%的CaF2添加到同一球 磨罐中；
步驟2，磨球和無(wú)水乙醇的配比，按球料體積比為2: l稱(chēng)取瑪瑙球于球磨
罐中；按液料體積比0.7:1稱(chēng)取無(wú)水醇于磨罐中；
步驟3，球磨，將球磨罐固定到球磨機(jī)上，在180r/min轉(zhuǎn)速下球磨。 步驟4，干燥與篩分，將混合好的漿料同磨球分開(kāi)，6(TC烘干，過(guò)篩，獲得
混合均勻的原料；
步驟5，壓坯，稱(chēng)取混合均勻的原料放在鋼模中，壓制成坯；
步驟6，燒結(jié)，將壓后的塊體放入涂有氮化硼的套筒中，然后放入爐中，在
氬氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，升溫速率為30°C/min，燒至1050-1350°C，保溫時(shí)間為
30 min，自然冷卻，制得YNb04陶瓷塊體。本發(fā)明的特征在于，步驟1中原料粉的稱(chēng)量包括稱(chēng)取摩爾比1: 1的Y203、
Nb2。5粉，Nb205的純度為99. 9%， d50=8.3微米和Y203的純度為99. 8%， ds。二7. 9 微米；按質(zhì)量百分比稱(chēng)取丫203粉和佛205粉總量的0.1% 2.0%的CaF 并一
塊添加到同一球磨罐中。
測(cè)試與分析用阿基米德排水法測(cè)定合成產(chǎn)物的密度；用X射線(xiàn)衍射測(cè)定 物相組成；SEM觀測(cè)合成塊體形貌；用E4991網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試產(chǎn)物介電常數(shù)與 介質(zhì)損耗，測(cè)試頻率為1MHZ 3GHZ。
對(duì)于陶瓷燒結(jié)過(guò)程來(lái)說(shuō)，加入摻雜劑的助燒機(jī)理一般有兩種 一種是摻雜 劑的引入使晶格空位增加，易于擴(kuò)散，促使陶瓷燒結(jié)速度加快，二是在燒結(jié)過(guò) 程中產(chǎn)生液相或低熔物，促進(jìn)燒結(jié)，降低陶瓷的燒結(jié)溫度。在燒結(jié)的后期，有 兩種情況， 一種是這些液相或低共熔物形成晶界玻璃相存在于晶粒之間，另一 種情況是這些物質(zhì)固溶到主晶相中。后一種情況對(duì)陶瓷的燒結(jié)來(lái)說(shuō)是比較理想 的，在某種程度上可以改善陶瓷的性能。本發(fā)明中，由于氟化鈣(CaF2)能促進(jìn) 的YNb04相的生成，同時(shí)生成有益的第二相，并且明顯降低燒結(jié)溫度，因此是 首選的助熔劑。
本發(fā)明的有益效果-
由于采用CaF2作為助熔劑制備的YNb04陶瓷，其中生成了有益的第二相 CaNb206，與現(xiàn)有的未加入CaF2助熔劑的制備方法相比，在相同溫度下燒結(jié)的 陶瓷試塊的體積密度均明顯增加。
獲得的YNb04陶瓷的室溫介電常數(shù)e普遍比未加CaF2的介電常數(shù)明顯提 高。當(dāng)燒結(jié)溫度為1350°C，保溫時(shí)間0.5h， CaF2摻雜量為2.0。^時(shí)，介電常數(shù)e 達(dá)到最大498;未加CaF2的YNb04陶瓷的介電常數(shù)e為7~26。


圖1在不同溫度下制備的摻雜CaF 2的YNbO,陶瓷的X-射線(xiàn)衍射圖譜 (Y203:Nb205 = 1: 1)。 圖2不同含量CaF2的原料的體積密度與燒結(jié)溫度關(guān)系曲線(xiàn)圖。 圖3室溫介電常數(shù)隨燒結(jié)溫度的變化曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
以CaF2為助熔劑燒結(jié)合成鈮酸釔微波介電陶瓷的方法，該方法的具體步驟
為
實(shí)施例一
步驟1，稱(chēng)取摩爾比1: 1的Y203、飾205粉，Nb205的純度為99. 9%， d5。=8. 3 微米和Y203的純度為99. 8%， (55。=7.9微米，置于氧化鋁球磨罐中；按添加量為 總量0.5% (質(zhì)量百分比)的CaF2粉，置于同一氧化鋁球磨罐中。
步驟2，按球料體積比為2: 1的比例,稱(chēng)取直徑為12mm瑪瑙，置于氧化鋁 球磨罐中；按液料體積比0.7:1稱(chēng)取無(wú)水醇于于氧化鋁球磨罐中。
步驟3，將球磨罐固定到行星球磨機(jī)上，在180r/min轉(zhuǎn)速下球磨2小時(shí)。
步驟4，將混合好的漿料同磨球分開(kāi)，6(TC烘干，分別用20目和100目的 篩子將干燥后的粉料過(guò)篩，重復(fù)操作兩次，獲得混合均勻的原料；
步驟5，稱(chēng)取混合均勻的原料放在鋼模中，以50MPa壓力壓制成直徑20mm、 不同高度10mm的壓坯。
步驟6，將壓后的塊體放入涂有氮化硼的套筒中，然后一同放入爐中，在氬 氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，升溫速率為30°C/min，燒至1250。C，保溫時(shí)間為30 min， 自然冷卻，制得YNb04陶瓷塊體，其體積密度4.3g/cm3，介電常數(shù)為440。
實(shí)施例二
與實(shí)施例的其它條件相同，CaF2添加量為總量的0.1。/。(質(zhì)量百分比)時(shí)， 升溫速率為30°C/min，燒至1050°C，保溫時(shí)間為30min，自然冷卻，制得YNb04 陶瓷塊體，其體積密度2.6g/cm3，介電常數(shù)150。
實(shí)施例三
與實(shí)施例一的其它條件相同，CaF2添加量為總量的2.0% (質(zhì)量百分比)時(shí)， 升溫速率為30°C/min，燒至1350°C，保溫時(shí)間為30 min，自然冷卻，制得YNb04 陶瓷塊體，其體積密度5.3g/cm3，介電常數(shù)498。
圖1可見(jiàn)，在不同溫度下制備了 YNb04陶瓷，其中生成了有益的第二相 CaNb206。
附圖2可見(jiàn)，隨著燒結(jié)溫度的增加，不同摻雜量的鈮酸釔陶瓷體積密度增 加，最大的體積密度5.48g/cm 達(dá)到理論的密度97%以上。
由附圖3見(jiàn)可，隨著燒結(jié)溫度的增加，添加不同含量的CaF2的YNb04陶瓷 的室溫介電常數(shù)e為150 498。
權(quán)利要求
1.以CaF2為助熔劑燒結(jié)合成鈮酸釔微波介電陶瓷的方法，該方法的具體步驟為步驟1，原料粉的稱(chēng)量，稱(chēng)取摩爾比1∶1的Y2O3、Nb2O5粉，Nb2O5的純度為99.9％，d50＝8.3微米和Y2O3的純度為99.8％，d50＝7.9微米，置于球磨罐中；步驟2，磨球和無(wú)水乙醇的配比，按球料體積比為2∶1稱(chēng)取瑪瑙球于球磨罐中；按液料體積比0.7∶1稱(chēng)取無(wú)水醇于磨罐中；步驟3，球磨，將球磨罐固定到球磨機(jī)上，在180r/min轉(zhuǎn)速下球磨。步驟4，干燥與篩分，將混合好的漿料同磨球分開(kāi)，60℃烘干，過(guò)篩，獲得混合均勻的原料；步驟5，壓坯，稱(chēng)取混合均勻的原料放在鋼模中，壓制成坯；步驟6，燒結(jié)，將壓后的塊體放入涂有氮化硼的套筒中，然后放入爐中，在氬氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，升溫速率為30℃/min，燒至1050-1350℃，保溫時(shí)間為30min，自然冷卻，制得YNbO4陶瓷塊體。其特征在于，按質(zhì)量百分比稱(chēng)取Y2O3粉和Nb2O5粉總量的0.1％～2.0％的CaF2添加到步驟1中，而后按步驟2～步驟6制作，制得以CaF2為助熔劑燒結(jié)合成YNbO4微波介電陶瓷塊體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種以CaF₂為助熔劑燒結(jié)合成鈮酸釔微波介電陶瓷的方法，該方法是稱(chēng)取摩爾比1∶1的Y₂O₃、Nb₂O₅粉及占總量0.1％～2.0％的CaF₂；按球料體積比2∶1稱(chēng)取瑪瑙球及液料體積比0.7∶1稱(chēng)取無(wú)水醇，于磨罐中；在180r/min下球磨，混合均勻，將上述漿料同磨球分開(kāi)，烘干，過(guò)篩；稱(chēng)取混合均勻的原料放在鋼模中壓制成坯；再將塊體放入涂有氮化硼的套筒中，放入爐中，在氬氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，以溫升速率為30℃/min，燒至1050-1350℃，保溫30min，自然冷卻，制得YNbO₄陶瓷塊體。CaF₂摻雜量為2.0％時(shí)，YNbO₄陶瓷的介電常數(shù)ε達(dá)到最大為498。
文檔編號(hào)C04B35/495GK101182206SQ20071017790
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日
發(fā)明者劉秋平, 張志力, 春 許 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)