纳米氧化锆材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米氧化锆材料、其制备方法及应用。该纳米氧化锆材料在20GHz的介电常数为18.01～19.97，介电损耗角正切为0.0008～0.0027；在28GHz的介电常数为18.46～21.27，介电损耗角正切为0.0012～0.0035；在39GHz的介电常数为18.73～23.88，介电损耗角正切为0.0041～0.0078；在65GHz的介电常数为19.75～25.35，介电损耗角正切为0.0031～0.0073；在70GHz的介电常数为20.68～26.26，介电损耗角正切为0.0043～0.0080。该纳米氧化锆材料介电性能优良，适用于5G通讯消费电子介质基板、手机背板、指纹识别等应用领域，是一种能够在毫米波频段应用的陶瓷材料。

Nano zirconia material, its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
纳米氧化锆材料、其制备方法及应用
本专利技术涉及无机纳米材料制备领域，具体而言，涉及一种纳米氧化锆材料、其制备方法及应用。
技术介绍
5G具有高速度、低时延(时延仅为1ms)、低能耗、网络全覆盖等特性。随着通信设备工作频率不断提高，信号延迟会变得更加明显，系统的损耗和发热量也会提高，所以对于关键材料的介电性能要求会更高。纳米氧化锆是一种集优越的电性能和机械性能为一体的陶瓷材料，其在电子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等方面有广泛的应用。氧化锆有三种不同结构的晶相：单斜相、四方相和立方相，不同的晶相结构对氧化锆陶瓷材料的性能产生较大的影响。对于通信设备来说，介电性能是影响其传输速度及灵敏度等重要指标之一。目前制备纳米氧化锆的制备方法主要有共沉淀法、水解法、水热法以及溶胶-凝胶法等。专利CN201910637957.X中制备工艺为沉淀法，陈化时间较长，而且是两步煅烧，工艺比较繁琐，且所制备的材料的介电性能欠佳。通常若想制备介电性能优良的陶瓷材料，一般是调整工艺参数，几乎没有从氧化锆粉体的颗粒大小及结晶度等方面调整介电性能。在此基础上，有必要提供一种提高纳米氧化锆介电性能、且制备工序简单的工艺。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种纳米氧化锆材料、其制备方法及应用，以解决现有技术中纳米氧化锆介电性能欠佳或工序复杂的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一方面，提供了一种纳米氧化锆材料。该纳米氧化锆材料在20GHz的介电常数为18.01～19.97，介电损耗角正切为0.0008～0.0027；在28GHz的介电常数为18.46～21.27，介电损耗角正切为0.0012～0.0035；在39GHz的介电常数为18.73～23.88，介电损耗角正切为0.0041～0.0078；在65GHz的介电常数为19.75～25.35，介电损耗角正切为0.0031～0.0073；在70GHz的介电常数为20.68～26.26，介电损耗角正切为0.0043～0.0080。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种上述纳米氧化锆材料的制备方法，其包括以下步骤：配制锆盐和钇盐的混合溶液，并在混合溶液中加入氧化锆晶种，形成浆料A；向浆料A中加入沉淀剂并进行分段水热沉淀反应，得到产物体系；其中，沉淀剂为尿素溶液，分段水热沉淀反应过程包括在第一反应温度下进行的第一阶段水解反应和在第二反应温度下进行的第二阶段水热反应，且第一反应温度为75～90℃，第二反应温度为130～200℃；干燥、煅烧产物体系，得到纳米氧化锆材料。进一步地，锆盐选自氧氯化锆、氯化锆、硝酸锆、醋酸锆、硫酸锆中的一种或多种，钇盐选自氯化钇、硝酸钇、硫酸钇、乙酸钇中的一种或多种；优选地，沉淀剂中还加入了表面活性剂，更优选表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、环己醇、正丁醇、异丙醇、聚丙烯酸、聚乙二醇中的一种或多种；进一步优选地，相对于所制备的纳米氧化锆材料的总重量，所述表面活性剂的加入量为0.5％～4％。进一步地，尿素溶液中尿素的质量浓度为5～20wt％。进一步地，分段水热沉淀反应过程包括：在搅拌的状态下将浆料A加入至沉淀剂中，形成待反应体系；将待反应体系升温至第一反应温度，然后保温1～5h，以进行第一阶段水解反应，得到预反应体系；将预反应体系升温至第二反应温度，然后保温7～18h，以进行第二阶段水热反应；优选地，将待反应体系升温至第一反应温度的过程中，升温速率为0.1-2℃/min；更优选地，将预反应体系升温至第二反应温度的过程中，升温速率为0.5～3℃/min。进一步地，锆盐中锆离子的摩尔数和钇盐中钇离子的摩尔比为100:2～11；优选地，每升混合溶液中含有0.5～2.0mol锆离子。进一步地，相对于所制备的纳米氧化锆材料的总重量而言，所述氧化锆晶种的添加量为0.5％～8％；优选地，氧化锆晶种的粒度(一次平均粒径)为10～40nm；更优选地，锆离子与尿素的摩尔比为1:2～4。进一步地，干燥过程采用喷雾干燥；优选地，在干燥过程之前，制备方法还包括将产物体系通过陶瓷膜进行洗涤的步骤。进一步地，配置混合溶液和尿素溶液采用的溶剂均为水。根据本专利技术的又一方面，还提供了一种上述纳米氧化锆材料作为毫米波频段的陶瓷材料的应用。本专利技术提供的纳米氧化锆材料在20～43.5GHz范围内介电常数为15.42～31.2，介电损耗角正切为0.0005～0.0021；在20～70Hz范围内介电常数18.01～26.29，介电损耗角正切为0.0008～0.0082。该纳米氧化锆材料介电性能优良，适用于5G通讯消费电子介质基板、手机背板、指纹识别等应用领域，是一种能够在毫米波频段应用的陶瓷材料。另外，本专利技术还提供了一种分段式水热法制备纳米氧化锆材料的方法，具体地，本专利技术以尿素溶液作为沉淀剂，并加入了钇盐作为掺杂剂，且在水热反应过程中加入了氧化锆晶种。加入钇盐，经水热反应、干燥及煅烧步骤后，能够向氧化锆晶格中引入钇掺杂原子，从而有利于提高氧化锆晶体中稳定立方相和四方相的占比，相应提高氧化锆材料的介电性能。在水热沉淀过程中加入晶种也有利于提高氧化锆的衍射强度，从而提高其结晶度，相应提高其介电性能。更重要的是，尿素在水热反应过程中电离分解成氨根和氢氧根，而采用分段水热反应模式，将水热反应分为75～90℃的第一阶段和130～200℃的第二阶段，能够控制升温速率和尿素分解速率，从而能够有效控制颗粒的大小和形貌，使得最终形成的纳米氧化锆粒径较小(一般小于30nm)且粒径分布窄，有利于进一步提高材料的介电性能。除此之外，利用本专利技术提供的上述方法制备纳米氧化锆材料，工序简单易操作，且分段式水热反应也有利于降低水热温度和水热时间，更适宜工业化大规模应用。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1示出了本专利技术实施例1至5中制备的纳米氧化锆粉体的XRD图；图2示出了本专利技术实施例6至10中制备的纳米氧化锆粉体的XRD图；图3示出了本专利技术实施例11、12制备的纳米氧化锆粉体及对比例1至3制备的氧化锆粉体的XRD图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本专利技术。正如
技术介绍
部分所描述的，现有技术中存在纳米氧化锆的介电性能欠佳或制备工序复杂的问题。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种纳米氧化锆材料。该纳米氧化锆材料在20GHz的介电常数为18.01～19.97，介电损耗角正切为0.0008～0.0027；在28GHz的介电常数为18.46～21.27，介电损耗角正切为0.0012～0.0035；在39GHz的介电常数为18.73～23.88，介电损耗角正切为0.0041～0.0078；在65GHz的介电常数为19.75～25.35，介电损耗角正切为0.0031～0.0073；在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米氧化锆材料，其特征在于，所述纳米氧化锆材料在20GHz的介电常数为18.01～19.97，介电损耗角正切为0.0008～0.0027；在28GHz的介电常数为18.46～21.27，介电损耗角正切为0.0012～0.0035；在39GHz的介电常数为18.73～23.88，介电损耗角正切为0.0041～0.0078；在65GHz的介电常数为19.75～25.35，介电损耗角正切为0.0031～0.0073；在70GHz的介电常数为20.68～26.26，介电损耗角正切为0.0043～0.0080。/n

【技术特征摘要】
20200306 CN 202010152947X1.一种纳米氧化锆材料，其特征在于，所述纳米氧化锆材料在20GHz的介电常数为18.01～19.97，介电损耗角正切为0.0008～0.0027；在28GHz的介电常数为18.46～21.27，介电损耗角正切为0.0012～0.0035；在39GHz的介电常数为18.73～23.88，介电损耗角正切为0.0041～0.0078；在65GHz的介电常数为19.75～25.35，介电损耗角正切为0.0031～0.0073；在70GHz的介电常数为20.68～26.26，介电损耗角正切为0.0043～0.0080。


2.一种权利要求1所述的纳米氧化锆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
配制锆盐和钇盐的混合溶液，并在所述混合溶液中加入氧化锆晶种，形成浆料A；
向所述浆料A中加入沉淀剂并进行分段水热沉淀反应，得到产物体系；其中，所述沉淀剂为尿素溶液，所述分段水热沉淀反应过程包括在第一反应温度下进行的第一阶段水解反应和在第二反应温度下进行的第二阶段水热反应，且所述第一反应温度为75～90℃，所述第二反应温度为130～200℃；
干燥、煅烧所述产物体系，得到所述纳米氧化锆材料。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述锆盐选自氧氯化锆、氯化锆、硝酸锆、醋酸锆、硫酸锆中的一种或多种，所述钇盐选自氯化钇、硝酸钇、硫酸钇、乙酸钇中的一种或多种；
优选地，所述沉淀剂中还加入了表面活性剂，更优选所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、环己醇、正丁醇、异丙醇、聚丙烯酸、聚乙二醇中的一种或多种；进一步优选地，相对于所制备的所述纳米氧化锆材料的总重量，所述表面活性剂的加入量为0.5～4％。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋锡滨，赵莎，王军，焦英训，
申请(专利权)人：山东国瓷功能材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37