本發(fā)明涉及介質(zhì)陶瓷，具體涉及一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、微波頻段由于其傳輸速度快、通信容量大而成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的重要組成部分，隨著移動(dòng)通訊設(shè)備用戶數(shù)量的不斷增加，對(duì)微波元器件中的微波介質(zhì)陶瓷提出來(lái)了更高的要求。作為一種功能材料，微波介質(zhì)陶瓷除了具有一定的物理性能外，還必須具備一定的微波介電性能。具體而言，高的相對(duì)介電常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)元器件的小型化，但會(huì)降低傳輸速率，所以在高頻通訊領(lǐng)域需要開(kāi)發(fā)低相對(duì)介電常數(shù)(后續(xù)簡(jiǎn)稱(chēng)為低介)的微波介質(zhì)陶瓷。近年來(lái)，εr<15的低介微波介質(zhì)陶瓷逐漸成為研究熱點(diǎn)，同時(shí)其還需具備高的品質(zhì)因數(shù)(q×f≥20000ghz)來(lái)提高元器件工作頻率的可選擇性和簡(jiǎn)化散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；近零的諧振頻率溫度系數(shù)(-10ppm/℃≤τf≤10ppm/℃)，從而保證電子元器件的工作穩(wěn)定性。但能同時(shí)滿足上述三個(gè)性能要求的單相陶瓷少之又少，采用新穎的設(shè)計(jì)思路開(kāi)發(fā)高性能的微波介質(zhì)陶瓷依然是一巨大挑戰(zhàn)。

2、隨著高熵合金的研究，高熵概念逐漸被引入陶瓷材料中，演變成為高熵陶瓷。這類(lèi)陶瓷的一個(gè)晶格位點(diǎn)被五種或五種以上陽(yáng)離子占據(jù)，具有較高的構(gòu)型熵，展現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能、儲(chǔ)能性能、電學(xué)性能和磁學(xué)性能等。已有專(zhuān)利公開(kāi)(cn?115536373?b)利用高熵效應(yīng)制備一種具有正長(zhǎng)石結(jié)構(gòu)的(mg0.2co0.2ni0.2cu0.2zn0.2)sio3低介高熵陶瓷，其微波介電性能較為優(yōu)異，εr為6.5～6.9，介電損耗為0.0001～0.0004@10ghz，τf為-40～-24.5ppm/℃。該申請(qǐng)案雖然利用高熵效應(yīng)抑制了mgsio3陶瓷的晶型轉(zhuǎn)變，降低了致密化燒結(jié)溫度，但其τf值仍然較大，很難滿足實(shí)際應(yīng)用。

3、相比正長(zhǎng)石結(jié)構(gòu)，石榴石的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，合成出單相石榴石化合物更難。目前利用固相合成法獲得的ca3m2siv2o12(m＝mg,cu,zn)均含有第二相，嚴(yán)重影響陶瓷的微波介電性能。如能利用高熵效應(yīng)，在石榴石結(jié)構(gòu)中同一個(gè)晶格位置引入多種陽(yáng)離子形成單相材料，將為具有石榴石結(jié)構(gòu)的微波介質(zhì)陶瓷的微波介電性能調(diào)控開(kāi)辟新思路。

4、鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和實(shí)踐終于獲得了本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決。目前利用固相合成法獲得的ca3m2siv2o12(m＝mg,cu,zn)均含有第二相，嚴(yán)重影響陶瓷的微波介電性能的問(wèn)題，提供了一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開(kāi)了一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

3、s1，根據(jù)目標(biāo)物ca3(co0.2cu0.2mg0.2zn0.2ni0.2)2siv2o12，將原料caco3、coo、cuo、mgo、zno、nio、sio2和v2o5按元素組成的摩爾比稱(chēng)取，并與無(wú)水乙醇進(jìn)行球磨，得到混合漿料；

4、s2，將混合漿料烘干后進(jìn)行預(yù)燒處理，并進(jìn)行二次球磨和烘干，得到干燥的ca3(co0.2cu0.2mg0.2zn0.2ni0.2)2siv2o12預(yù)制粉料；

5、s3，向干燥的預(yù)制粉料加入pva水溶液進(jìn)行造粒，并過(guò)篩得到均勻粉末，然后壓制成陶瓷素坯；

6、s4，將所述陶瓷素坯進(jìn)行排膠和燒結(jié)，得到ca3(co0.2cu0.2mg0.2zn0.2ni0.2)2siv2o12高熵微波介質(zhì)陶瓷。

7、所述步驟s1中，原料caco3、coo、cuo、mgo、zno、nio、sio2和v2o5的純度均≥99％，且在稱(chēng)取前需在100℃烘箱中干燥12h。

8、所述步驟s2中，干燥溫度為80℃，干燥時(shí)間為12h。

9、所述步驟s2中，預(yù)燒處理溫度為950℃，保溫時(shí)間為8h，升溫速率為5℃/min，預(yù)燒處理后隨爐冷卻至室溫。

10、所述步驟s1和s2中，均采用氧化釔增韌氧化鋯球進(jìn)行球磨，且原料、無(wú)水乙醇和氧化釔增韌氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:4，球磨時(shí)間為8h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300r/min。

11、所述步驟s3中，過(guò)篩均采用100目篩網(wǎng)。

12、所述步驟s3中，pva水溶液的濃度為5％，pva水溶液添加量為所述預(yù)制粉料質(zhì)量的7％。

13、所述步驟s3中，壓片采用干壓成型技術(shù)，在200mpa的壓力下，保壓2～3min，素坯的直徑為10mm，高度為5～6mm。

14、所述步驟s4中，排膠處理的溫度為600℃，升溫速率為2℃/min，保溫時(shí)間為2h，排膠處理后繼續(xù)進(jìn)行燒結(jié)過(guò)程，燒結(jié)溫度為990～1070℃，升溫速率為5℃/min，保溫時(shí)間為8h，燒結(jié)處理后隨爐冷卻至室溫。

15、本發(fā)明還公開(kāi)了采用上述制備方法制得的具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷，所述的高熵微波介質(zhì)陶瓷的化學(xué)式為ca3(co0.2cu0.2mg0.2zn0.2ni0.2)2siv2o12，由co、cu、mg、zn和ni五種等摩爾比的金屬元素共同占據(jù)b位位置，形成高的構(gòu)型熵，所述高熵微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)為6.5～10.4，品質(zhì)因數(shù)為12490～62440ghz，諧振頻率溫度系數(shù)為-9.2～-7.4ppm/℃。

16、與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于：

17、1、本發(fā)明由五種等摩爾比的金屬元素占據(jù)石榴石結(jié)構(gòu)的b位位置，形成高的構(gòu)型熵，再通過(guò)優(yōu)化燒結(jié)溫度成功合成具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷；

18、2、本發(fā)明相比傳統(tǒng)石榴石結(jié)構(gòu)陶瓷，高熵微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度更低，且相對(duì)密度最高可達(dá)96.5％，介電常數(shù)為6.5～10.4，品質(zhì)因數(shù)為12490～62440ghz，諧振頻率溫度系數(shù)為-9.2～-7.4ppm/℃，具有優(yōu)異的微波介電性能，在高頻通信領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟s1中，原料caco3、coo、cuo、mgo、zno、nio、sio2和v2o5的純度均≥99％，且在稱(chēng)取前需在100℃烘箱中干燥12h。

3.如權(quán)利要求1所述的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟s2中，干燥溫度為80℃，干燥時(shí)間為12h。

4.如權(quán)利要求1所述的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟s2中，預(yù)燒處理溫度為950℃，保溫時(shí)間為8h，升溫速率為5℃/min，預(yù)燒處理后隨爐冷卻至室溫。

5.如權(quán)利要求1所述的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟s1和s2中，均采用氧化釔增韌氧化鋯球進(jìn)行球磨，且原料、無(wú)水乙醇和氧化釔增韌氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:4，球磨時(shí)間為8h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300r/min。

6.如權(quán)利要求1所述的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟s3中，過(guò)篩均采用100目篩網(wǎng)。

7.如權(quán)利要求1所述的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟s3中，pva水溶液的濃度為5％，pva水溶液添加量為所述預(yù)制粉料質(zhì)量的7％。

8.如權(quán)利要求1所述的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟s3中，壓片采用干壓成型技術(shù)，在200mpa的壓力下，保壓2～3min，素坯的直徑為10mm，高度為5～6mm。

9.如權(quán)利要求1所述的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟s4中，排膠處理的溫度為600℃，升溫速率為2℃/min，保溫時(shí)間為2h，排膠處理后繼續(xù)進(jìn)行燒結(jié)過(guò)程，燒結(jié)溫度為990～1070℃，升溫速率為5℃/min，保溫時(shí)間為8h，燒結(jié)處理后隨爐冷卻至室溫。

10.一種采用如權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)所述的制備方法制得的具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于，所述的高熵微波介質(zhì)陶瓷的化學(xué)式為ca3(co0.2cu0.2mg0.2zn0.2ni0.2)2siv2o12，由co、cu、mg、zn和ni五種等摩爾比的金屬元素共同占據(jù)b位位置，形成高的構(gòu)型熵，所述高熵微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)為6.5～10.4，品質(zhì)因數(shù)為12490～62440ghz，諧振頻率溫度系數(shù)為-9.2～-7.4ppm/℃。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及介質(zhì)陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法，所述具有石榴石結(jié)構(gòu)的低介高熵微波介質(zhì)陶瓷的化學(xué)組成表達(dá)式為Ca<subgt;3</subgt;(Co<subgt;0.2</subgt;Cu<subgt;0.2</subgt;Mg<subgt;0.2</subgt;Zn<subgt;0.2</subgt;Ni<subgt;0.2</subgt;)<subgt;2</subgt;SiV<subgt;2</subgt;O<subgt;12</subgt;。通過(guò)將高熵效應(yīng)引入石榴石結(jié)構(gòu)，優(yōu)化燒結(jié)溫度，成功合成出一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的Ca<subgt;3</subgt;(Co<subgt;0.2</subgt;Cu<subgt;0.2</subgt;Mg<subgt;0.2</subgt;Zn<subgt;0.2</subgt;Ni<subgt;0.2</subgt;)<subgt;2</subgt;SiV<subgt;2</subgt;O<subgt;12</subgt;純相低介高熵微波介質(zhì)陶瓷。其介電常數(shù)為6.5～10.4，品質(zhì)因數(shù)為12490～62440GHz，諧振頻率溫度系數(shù)為?9.2～?7.4ppm/℃，微波介電性能優(yōu)異，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)研發(fā)人員：李家茂,王俊賢,王澤星,郭云鳳,陶振李
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21