一种介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷及其制备方法，所述氮化硅陶瓷由Si3N4、Al2O3、Nd2O3以及BaTiO3四种起始原料烧结而成，在起始原料中，Al2O3和Nd2O3合计的质量百分比为5～10%，BaTiO3的质量百分比为20%以下，优选为5～20%。本发明专利技术中，BaTiO3用以调控介电常数，Al2O3和Nd2O3为烧结助剂，可以降低烧结温度，从而充分发挥BaTiO3的掺杂效果。

A dielectric constant adjustable silicon nitride ceramics with low dielectric constant and its preparation method

The invention relates to a dielectric constant adjustable medium low dielectric constant silicon nitride ceramic and a preparation method. The silicon nitride ceramics are sintered by four starting materials of Si3N4, Al2O3, Nd2O3 and BaTiO3. In the starting material, the mass percentage of Al2O3 and Nd2O3 is 5 to 10%, and the mass percentage of BaTiO3 is less than 20%, and is preferred. It is 5 to 20%. In the invention, BaTiO3 is used to regulate the dielectric constant, Al2O3 and Nd2O3 are sintering aids, and the sintering temperature can be reduced, thus giving full play to the dopant effect of BaTiO3.

【技术实现步骤摘要】
一种介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及一种介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷及其制备方法，具体说，是以Al2O3和Nd2O3为烧结助剂，BaTiO3为调控氮化硅介电常数相，通过无压烧结制备介电常数可调的中低介电常数氮化硅陶瓷，属于Si3N4陶瓷的制备领域。
技术介绍
氮化硅陶瓷由于具有高硬度，高强度，高热导，热膨胀系数低，耐磨损，耐酸碱腐蚀性强，抗氧化性好等特点而成为一种非常重要的工程材料，在很多特殊工况下得到了广泛应用。例如，氮化硅陶瓷球可以作为轴承球与金属或同材质的轴套配合使用，可以做陶瓷阀球用于油田领域，可以作为高温支撑材料用于高科技领域等。另外，氮化硅具有较低的介电常数和介电损耗，将氮化硅做成多孔陶瓷能够作为高温透波材料在航空航天领域得到应用。随着移动通讯技术的快速发展，对于能够应对苛刻环境的微波介质陶瓷的需求变得越来越强烈。若能将氮化硅陶瓷的介电常数提高，将是一种非常有潜力的微波介质陶瓷材料，大大拓展氮化硅陶瓷的应用范围。但是目前为止，氮化硅陶瓷的介电常数都在8以下。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种介电常数可调的中低介电常数氮化硅陶瓷及其制备方法。对此，本申请的专利技术人进行了如下研究。根据复相陶瓷介电常数的混合法则，复相陶瓷的介电常数遵从如下公式，Inεr＝v1lnε1+v2lnε2+…+vnlnεn(公式1)v1+v2+…+vn＝1(公式2)其中εn为基体中第n相的介电常数，vn为第n相的体积分数。因而可以通过在氮化硅陶瓷基体中添加高介电常数的物相来提高氮化硅陶瓷的介电常数。BaTiO3是一种典型铁电体，具有ABO3型钙钛矿结构，具有高介电常数、低介电损耗及正温度系数效应等优异的电学性能。理论上，通过在Si3N4陶瓷基体中添加BaTiO3能够提高Si3N4陶瓷的介电常数。但是氮化硅陶瓷的烧结温度较高(＞1650℃)，而BaTiO3的熔点较低(～1615℃)，较高的烧结温度会导致BaTiO3的大量流失，从而降低掺杂的效果。为解决以上问题，本专利技术以具有较低低共熔温度的Al2O3-Nd2O3体系为烧结助剂来降低烧结温度，添加BaTiO3来提高和调控介电常数，通过烧结制备具有中低介电常数的氮化硅陶瓷。基于上述研究，完成了本专利技术。在此，一方面，本专利技术提供一种介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷，所述氮化硅陶瓷由Si3N4、Al2O3、Nd2O3以及BaTiO3四种起始原料烧结而成，在起始原料中，Al2O3和Nd2O3合计的质量百分比为5～10％，BaTiO3的质量百分比为20％以下，优选为5～20％。本专利技术中，BaTiO3用以调控介电常数，Al2O3和Nd2O3为烧结助剂，可以降低烧结温度，从而充分发挥BaTiO3的掺杂效果。本专利技术烧结得到的Si3N4陶瓷中含有β-Si3N4,α-Si3N4,BaAl2Si2O8和NdAlO3等物相以及一些非晶相。本专利技术中氮化硅陶瓷介电常数提高的原理在于，根据混合法则，复相陶瓷体系的介电常数为各物相体积分数的加权和，因而高介电常数的BaTiO3粉体加入到氮化硅陶瓷基体中能够提高氮化硅陶瓷的介电常数。较佳地，在起始原料中，Al2O3和Nd2O3的摩尔质量比例为2～5.5:1，最优比例为3:1。根据本专利技术，通过特定比例的Al2O3和Nd2O3体系可以进一步降低烧结温度。本专利技术的氮化硅陶瓷的抗弯强度为462～648MPa，介电常数为8.42～12.96，介电损耗为4.2×10-3～9.7×10-3。本专利技术中，可以通过调节起始原料中BaTiO3的含量也来调节所述氮化硅陶瓷的介电常数。另一方面，本专利技术提供上述介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷的制备方法，包括如下步骤：配制含有Si3N4粉体、Al2O3粉体、Nd2O3粉体和BaTiO3粉体的浆料，球磨、烘干、研磨、过筛，制备出复合粉体原料；将复合粉体原料成型得到素坯；将素坯在N2气氛下于1650～1750℃烧结，得到所述氮化硅陶瓷。本专利技术以Al2O3和Nd2O3为烧结助剂，通过引入具有高介电常数的BaTiO3粉体，提高氮化硅陶瓷的介电常数，制备介电常数可调的中低介电常数氮化硅陶瓷。通过本方法制备的氮化硅陶瓷能够提高介电常数并在一定范围内可调，介电损耗较小，同时具有较高的力学性能，可用作陶瓷介质基板。较佳地，Si3N4粉体和Al2O3粉体的平均粒径为0.2～0.8μm，Nd2O3粉体的平均粒径为1～3μm，Si3N4,Al2O3和Nd2O3粉体的纯度均＞99％，BaTiO3粉体的纯度＞98％，平均粒径为0.5～2μm。较佳地，所述浆料的溶剂为酒精，固含量为17～24vol％。较佳地，在球磨中，以Si3N4球为研磨介质，原料与Si3N4球研磨介质的质量比为1:1～1:3，球磨转速为200～400转/分钟，球磨时间为2～6小时。较佳地，所述成型的方式为干压预成型和冷等静压，其中干压压力为10MPa～60Mpa，等静压压力为120MPa～280MPa。较佳地，烧结时间为60～120分钟。本专利技术通过添加不同含量BaTiO3粉体，可得到力学性能优异，介电常数可调的中低介电常数Si3N4陶瓷，相对密度最高可达92％，抗弯强度最高可达648Mpa，介电常数最高可达12.96，介电损耗小于1×10-2。附图说明图1为BaTiO3粉体含量为5wt％的无压烧结Si3N4陶瓷的微结构形貌图；图2为BaTiO3粉体含量为10wt％的无压烧结Si3N4陶瓷的微结构形貌图；图3为BaTiO3粉体含量为15wt％的无压烧结Si3N4陶瓷的微结构形貌图；图4为BaTiO3粉体含量为20wt％的无压烧结Si3N4陶瓷的微结构形貌图；图5为BaTiO3粉体含量为5-20wt％的无压烧结Si3N4陶瓷(分别表示为SN-5Ba、SN-10Ba、SN-15Ba、SN-20Ba)的物相组成图，从物相组成图中可以看出，随着BaTiO3粉体添加量的增多，Si3N4陶瓷基体中BaAl2Si2O8相的峰强变强，说明BaAl2Si2O8相持续生成；图6为BaTiO3粉体含量为5-20wt％的无压烧结Si3N4陶瓷的介电常数图，从介电常数图中可以看出，随着BaTiO3粉体添加量的增多，Si3N4陶瓷的介电常数不断增大，从8.42增加到12.96；图7为BaTiO3粉体含量为5-20wt％的无压烧结Si3N4陶瓷的介电损耗图，从介电损耗图中可以看出，随着BaTiO3粉体添加量的增多，Si3N4陶瓷的介电损耗不断增大，从4.2×10-3增加到9.7×10-3；图8为添加15wt％BaTiO3粉体的Si3N4陶瓷的微观形貌图及其元素面分布图。从元素面分布图中可以看出，Ba,Ti，O三种元素基本重合，说明BaTiO3相依然存在于Si3N4陶瓷基体中，正是由于BaTiO3的存在，使得Si3N4陶瓷的介电常数得以提高。具体实施方式以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术选用Si3N4(例如α-Si3N4)粉体为原料，Al2O3和Nd2O3为烧结助剂，BaTiO3用以调控氮化硅陶瓷的介电常数，经烧结得到介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷。烧结助剂粉体可占粉体总量的5wt％～10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷，其特征在于，所述氮化硅陶瓷由Si3N4、Al2O3、Nd2O3以及BaTiO3四种起始原料烧结而成，在起始原料中，Al2O3和Nd2O3合计的质量百分比为5～10%，BaTiO3的质量百分比为20%以下，优选为5～20%。

【技术特征摘要】
1.一种介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷，其特征在于，所述氮化硅陶瓷由Si3N4、Al2O3、Nd2O3以及BaTiO3四种起始原料烧结而成，在起始原料中，Al2O3和Nd2O3合计的质量百分比为5～10%，BaTiO3的质量百分比为20%以下，优选为5～20%。2.根据权利要求1所述的介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷，其特征在于，在起始原料中，Al2O3和Nd2O3的摩尔质量比例为2～5.5:1，最优比例为3:1。3.根据权利要求1或2所述的介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷，其特征在于，所述氮化硅陶瓷的抗弯强度为462～648MPa，介电常数为8.42～12.96，介电损耗为4.2×10-3～9.7×10-3。4.根据权利要求1至3中任一项所述的介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷，其特征在于，通过调节起始原料中BaTiO3的含量也来调节所述氮化硅陶瓷的介电常数。5.一种权利要求1至4中任一项所述的介电常数可调中低介电常数氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：配制含有Si3N4粉体、Al2O3粉体、Nd2...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宇平，梁汉琴，左开慧，夏咏锋，姚冬旭，尹金伟，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31