專利名稱：多孔玻璃陶瓷材料、制備方法及制備的超材料基板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多孔玻璃陶瓷材料、制備方法及制備的超材料基板。
背景技術(shù)：
近年來，隨著移動通信、衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、藍牙技術(shù)以及無線局域網(wǎng)(WLAN)等現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，微波技術(shù)也向著更高頻率，即向著毫米波和亞毫米波的方向發(fā)展。低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料的研究已越來越受關(guān)注。此類材料可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊，導彈遙控和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)天線，通訊設(shè)備等，這些應(yīng)用領(lǐng)域除了要求陶瓷具有較低的介電損耗、低的諧振頻率溫度系數(shù)外，還要求陶瓷具有較小的介電常數(shù)。在信息化浪潮席卷全球的今天，通信設(shè)備和便攜式終端必然向小型、輕量、薄型、高頻、多功能、高性能方向發(fā)展。目前，低介電、低損耗微波介質(zhì)陶瓷材料主要有Al2O3系、SiO2系、Si3N4系、AlN系、 玻璃/陶瓷系等，制備這些陶瓷基本是利用其低介電特性，添加燒結(jié)助劑，實現(xiàn)陶瓷的低溫
紅彡口 而現(xiàn)在低介電玻璃/陶瓷系的研究主要集中尋找具有低介電常數(shù)特性的材料上， 但是效果有限，已制備的最低介電常數(shù)的微晶玻璃介電常數(shù)在5左右，需要進一步降低介電常數(shù)以滿足當前各領(lǐng)域尤其是超材料領(lǐng)域?qū)Φ徒殡姴牧系氖褂靡蟆?br>
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是選用ZnO-B2O3-P2O5-SiO2系玻璃陶瓷，采用添加塑性成孔劑，燒結(jié)制備成低介電常數(shù)、低損耗的多孔玻璃陶瓷材料，同時提供其科學合理、簡單易行的制備方法。本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是利用該多孔玻璃陶瓷材料制成的基板作為超材料的基板，從而得到低介電常數(shù)、低損耗的超材料。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種多孔玻璃陶瓷材料，由下列重量比的原料制成70. I % 85. 2 % SiO2,9. 6 % 28. 9 % H3B03、0 % 16. 3 % (NH4) H2PO4 和 0 %
10.I % ZnO ；外加塑性成孔劑5. 3 % 30. I %。所述的塑性成孔劑為硬脂酸。一種多孔玻璃陶瓷材料的制備方法，所述的步驟包括a、按重量比將 70. 1% 85. 2% Si02、9. 6% 28. 9% H3B03、0% 16. 3% (NH4) H2PO4和0% 10. 1% ZnO原料混合后濕磨、烘干,然后預燒；b、利用塑性成孔劑、粘結(jié)劑對粉料進行二次濕磨后，干燥過60目篩造粒；C、將造粒后的粉料再壓制成型；d、壓制成型后在高溫電爐內(nèi)升溫至500°C，并保溫使粘結(jié)劑、塑性成孔劑徹底排除，然后升溫至900°C 1050°C高溫燒結(jié)2 4小時，后冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料。所述的塑性成孔劑為硬脂酸。所述的硬脂酸按重量比占粉料的5. 3% 30. 1%。所述的步驟c中壓制成型采用的是雙向加壓，壓力為80MPa 120MPa。所述的步驟d具體為壓制成型后在高溫電爐內(nèi)以1°C /min的速率升溫至500°C， 并保溫I 2小時使粘結(jié)劑、塑性成孔劑徹底排除；然后以10°C /min的速率升溫至900°C 1050°C燒結(jié)溫度并燒結(jié)2 4小時；后以20°C /min速率降溫至400°C，最后隨爐冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料。一種超材料基板，所述的基板由多孔玻璃陶瓷材料制成，所述的多孔玻璃陶瓷材料由下列重量比的原料制成70. I % 85. 2% Si02、9. 6% 28. 9% H3B03、0% 16. 3% (NH4) H2PO4 和 0 %
10.I % ZnO ；外加塑性成孔劑5. 3 % 30. I %。所述的塑性成孔劑為硬脂酸。該多孔玻璃陶瓷材料的氣孔主要由成孔劑熱解排除形成的宏觀孔組成，孔徑分布和氣孔在基質(zhì)中的分布均勻，其孔徑由成孔劑粒徑?jīng)Q定，因此可以通過控制成孔劑的粒徑達到孔徑可控的目的；本發(fā)明的有益效果選用ZnO-B2O3-P2O5-SiO2系玻璃陶瓷，采用添加塑性成孔劑， 燒結(jié)制備的多孔玻璃陶瓷材料的介電常數(shù)可以降低到2 3，同時損耗正切角也可以降到
0.0001左右；并且該制備方法科學合理、簡單易行；以該多孔玻璃陶瓷材料制得的低介電常數(shù)、低損耗的基板滿足了超材料基板對介電常數(shù)和損耗的需求，可以廣泛應(yīng)用于超材料領(lǐng)域內(nèi)。

圖I為本發(fā)明制備方法流程圖。
具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。多孔玻璃陶瓷材料，按重量比由70. I % 85. 2% Si02、9. 6% 28. 9 % H3B03、 0% 16.3% (NH4)H2PO4和0% 10. 1% ZnO的原料制成，外加硬脂酸塑性成孔劑5. 3% 30. 1%。制備多孔玻璃陶瓷材料的方法如圖I所示a、按重量比將 70. 1% 85. 2% Si02、9. 6% 28. 9% H3B03、0% 16. 3% (NH4) H2PO4和0% 10. 1% ZnO原料混合后濕磨、烘干，然后在400°C下預燒；b、加入5. 3% wt 30. 1% wt硬脂酸成孔劑、粘結(jié)劑對粉料進行二次濕磨后，噴霧干燥過60目篩造粒；所述的粘結(jié)劑一般采用的是聚乙烯醇；
C、將造粒后的粉料經(jīng)80MPa 120MPa壓力雙向加壓成型；d、壓制成型后在高溫電爐內(nèi)以1°C /min的速率升溫至500°C，并保溫I 2小時使粘結(jié)劑和塑性成孔劑排除干凈；然后以10°c /min的速率升溫至900°C 1050°C燒結(jié)溫度并燒結(jié)2 4小時；后以20°C /min速率降溫至400°C，最后隨爐冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料。該多孔玻璃陶瓷材料的氣孔主要由成孔劑熱解排除形成的宏觀孔組成，孔徑分布和氣孔在基質(zhì)中的分布均勻，其孔徑由成孔劑粒徑?jīng)Q定，因此可以通過控制成孔劑的粒徑達到孔徑可控的目的；選用ZnO-B2O3-P2O5-SiO2系玻璃陶瓷，采用添加塑性成孔劑_硬脂酸，燒結(jié)制備的多孔玻璃陶瓷材料的介電常數(shù)可以降低到2 3，同時損耗正切角也可以降到0. 0001左右； 并且該制備方法科學合理、簡單易行；利用上述的多孔玻璃陶瓷材料制成的基板可以作為超材料的基板，這種低介電常數(shù)、低損耗的基板滿足了超材料基板對介電常數(shù)和損耗的需求，可以廣泛應(yīng)用于超材料領(lǐng)域內(nèi)。實施例一按重量比將74. 5% Si02、13. 6% H3BO3'7. 4% (NH4)H2PO4 和 4. 5% ZnO 原料混合加入乙醇，使用氧化鋁球作為球磨子，在行星式球磨機中球磨4h后，再在80°C下干燥12h，將干燥后的粉料在400°C下預燒2h ；將預燒后的粉料加入15. 5% wt的硬脂酸成孔劑和5. 2% wt的聚乙烯醇粘結(jié)劑進行二次球磨后，噴霧干燥過60目篩造粒，將造粒后的粉料經(jīng)120MPa壓力雙向加壓成型；壓制成型后在高溫電爐內(nèi)以TC /min的速率緩慢升溫至500°C，并保溫2h，確保聚乙烯醇粘結(jié)劑及硬脂酸成孔劑徹底排除，之后以10°C /min快速升溫至最高燒成溫度950°C，并保溫 3小時，然后以20°C /min的降溫速率降溫至400°C，最后隨爐冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料；經(jīng)過測試，總氣孔率為30%、抗壓強度為25MPa、介電常數(shù)為2. 5、損耗正切角為 0.0001。實施例二按重量比將74. 5% SiO2'13. 6% H3BO3Ul. 9% (NH4)H2PO4 和 0% ZnO 原料混合加入乙醇，使用氧化鋁球作為球磨子，在行星式球磨機中球磨4h后，再在80°C下干燥12h，將干燥后的粉料在400°C下預燒2h ；將預燒后的粉料加入10. 5% wt的硬脂酸成孔劑和5. 2% wt的聚乙烯醇粘結(jié)劑進行二次球磨后，噴霧干燥過60目篩造粒，將造粒后的粉料經(jīng)120MPa壓力雙向加壓成型；壓制成型后在高溫電爐內(nèi)以TC /min的速率緩慢升溫至500°C，并保溫2h，確保聚乙烯醇粘結(jié)劑及硬脂酸成孔劑徹底排除，之后以10°C /min快速升溫至最高燒成溫度950°C，并保溫 2小時，然后以20°C /min的降溫速率降溫至400°C，最后隨爐冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料；經(jīng)過測試，總氣孔率為29%、抗壓強度為26MPa、介電常數(shù)為2. 6、損耗正切角為 0.0001。實施例三
5
按重量比將74. 5% Si02、13. 6% H3BO3'2. 1% (NH4)H2PO4 和 9. 8% ZnO 原料混合加入乙醇，使用氧化鋁球作為球磨子，在行星式球磨機中球磨4h后，再在80°C下干燥12h，將干燥后的粉料在400°C下預燒2h ；將預燒后的粉料加入12. 5% wt的硬脂酸成孔劑和5. 2% wt的聚乙烯醇粘結(jié)劑進行二次球磨后，噴霧干燥過60目篩造粒，將造粒后的粉料經(jīng)120MPa壓力雙向加壓成型；壓制成型后在高溫電爐內(nèi)以TC /min的速率緩慢升溫至500°C，并保溫2h，確保聚乙烯醇粘結(jié)劑及硬脂酸成孔劑徹底排除，之后以10°C /min快速升溫至最高燒成溫度950°C，并保溫 4小時，然后以20°C /min的降溫速率降溫至400°C，最后隨爐冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料。經(jīng)過測試，總氣孔率為31 %、抗壓強度為23MPa、介電常數(shù)為2. 4、損耗正切角為 0. 0001。實施例四按重量比將74. 5% Si02、13. 6% H3BO3U. 1% (NH4)H2PO4和 10. 8% ZnO原料混合加入乙醇，使用氧化鋁球作為球磨子，在行星式球磨機中球磨4h后，再在80°C下干燥12h，將干燥后的粉料在400°C下預燒2h ；將預燒后的粉料加入13. 5% wt的硬脂酸成孔劑和5. 2% wt的聚乙烯醇粘結(jié)劑進行二次球磨后，噴霧干燥過60目篩造粒，將造粒后的粉料經(jīng)120MPa壓力雙向加壓成型；壓制成型后在高溫電爐內(nèi)以10C /min的速率緩慢升溫至500 V，并保溫2h，確保聚乙烯醇粘結(jié)劑及硬脂酸成孔劑徹底排除干凈，之后以10°C /min快速升溫至最高燒成溫度1000°C，并保溫3小時，然后以20°C /min的降溫速率降溫至400°C，最后隨爐冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料。經(jīng)過測試，總氣孔率為33%、抗壓強度為20MPa、介電常數(shù)為2. 2、損耗正切角為 0.0001。實施例五按重量比將74. 5% Si02、13. 6% H3BO3^O% (NH4)H2PO4 和 11. 9% ZnO 原料混合加入乙醇，使用氧化鋁球作為球磨子，在行星式球磨機中球磨4h后，再在80°C下干燥12h，將干燥后的粉料在400°C下預燒2h ；將預燒后的粉料加入20. 5% wt的硬脂酸成孔劑和5. 2% wt的聚乙烯醇粘結(jié)劑進行二次球磨后，噴霧干燥過60目篩造粒，將造粒后的粉料經(jīng)120MPa壓力雙向加壓成型；壓制成型后在高溫電爐內(nèi)以10C /min的速率緩慢升溫至500 V，并保溫2h，確保聚乙烯醇粘結(jié)劑及硬脂酸成孔劑徹底排除，之后以10°C /min快速升溫至最高燒成溫度1000°C，并保溫4 小時，然后以20°C/min的降溫速率降溫至400°C，最后隨爐冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料。經(jīng)過測試，總氣孔率為35%、抗壓強度為19MPa、介電常數(shù)為2. 2、損耗正切角為 0.0001。在上述實施例中，僅對本發(fā)明進行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種多孔玻璃陶瓷材料，其特征在于由下列重量比的原料制成70. I % 85. 2% SiO2,9. 6% 28. 9% H3BO3^O16. 3% (NH4) H2PO4 和 0% 10. 1%ZnO ；外加塑性成孔劑5. 3% 30. 1%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多孔玻璃陶瓷材料，其特征在于所述的塑性成孔劑為硬脂酸。
3.—種多孔玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的步驟包括a、按重量比將70. 1% 85.2% Si02、9. 6% 28. 9% H3B03、0% 16. 3% (NH4)H2PO4 和 0% 10. 1% ZnO原料混合后濕磨、烘干，然后預燒；b、利用塑性成孔劑、粘結(jié)劑對粉料進行二次濕磨后，干燥過60目篩造粒；C、將造粒后的粉料再壓制成型；d、壓制成型后在高溫電爐內(nèi)升溫至500°C，并保溫使粘結(jié)劑、塑性成孔劑徹底排除，然后升溫至900°C 1050°C高溫燒結(jié)2 4小時，后冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多孔玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的塑性成孔劑為硬脂酸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多孔玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的硬脂酸按重量比占粉料的5. 3% 30. 1%。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多孔玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的步驟c 中壓制成型采用的是雙向加壓，壓力為80MPa 120MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多孔玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的步驟d 具體為壓制成型后在高溫電爐內(nèi)以1°C /min的速率升溫至500°C，并保溫I 2小時使粘結(jié)劑、塑性成孔劑徹底排除；然后以10°C /min的速率升溫至900°C 1050°C燒結(jié)溫度并燒結(jié)2 4小時；后以20°C /min速率降溫至400°C，最后隨爐冷卻至室溫，獲得多孔玻璃陶瓷材料。
8.一種超材料基板，其特征在于所述的基板由多孔玻璃陶瓷材料制成，所述的多孔玻璃陶瓷材料由下列重量比的原料制成70. I % 85. 2% SiO2,9. 6% 28. 9% H3BO3^O16. 3% (NH4) H2PO4 和 0% 10. 1%ZnO ；外加塑性成孔劑5. 3% 30. 1%。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超材料基板，其特征在于所述的塑性成孔劑為硬脂酸。
全文摘要
本發(fā)明提供多孔玻璃陶瓷材料、制備方法及制備的超材料基板，選用ZnO-B2O3-P2O5-SiO2系玻璃陶瓷，采用添加塑性成孔劑，燒結(jié)制備的多孔玻璃陶瓷材料的介電常數(shù)可以降低到2～3，同時損耗正切角也可以降到0.0001左右；并且該制備方法科學合理、簡單易行；以該多孔玻璃陶瓷材料制得的低介電常數(shù)、低損耗的基板滿足了超材料基板對介電常數(shù)和損耗的需求，可以廣泛應(yīng)用于超材料領(lǐng)域內(nèi)。
文檔編號H01Q15/00GK102603192SQ20121005082
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者劉若鵬, 周斌揚, 欒琳, 繆錫根, 郭文鵬 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司