一种低介电常数纳米微波介质陶瓷粉体的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低介电常数纳米微波介质陶瓷粉体的制备方法，包括：（１）将镁的无机盐水溶解形成镁的无机盐水溶液；再按硅与镁为１∶１的摩尔比加入硅溶胶，搅拌；（２）将一定量的柠檬酸加入乙二醇中，加热溶解；（３）以一定的摩尔比混合上述两溶液，加热蒸发水份；升温到１２５℃～１３５℃保温２～４小时，继续升温到１８０℃～２２０℃保温２～４小时，得到的黑色物质进行研磨后在８００℃～１０００℃煅烧，可得到粒径在８０～１００ｎｍ且分散良好的ＭｇＳｉＯ↓［３］、Ｍｇ↓［２］ＳｉＯ↓［４］纳米级微波介质陶瓷粉体，大大降低合成温度。本发明专利技术制得的纳米粉体烧结成瓷后具有优良的微波介电性能，可用于制备０４０２、０２０１多层微波陶瓷电容器等小型片式多层微波器件，具有极大的工业应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术，属于材料科学

技术介绍
随着电子设备向小型化发展，必然要求各种电子组件的小型化、微型化。目前元器件小型化已经取得飞速发展；在多层陶瓷电容器方面，0603已经成为主流产品，0402已经面市，0201已经研制成功；片式多层微波器件已逐步取代腔体结构，并日趋小型化，如日本村田公司的多层陶瓷滤波器的尺寸已经缩减为2.0×1.25×1.0(mm3)，今后将向尺寸为1.0×0.8×0.6(mm3)、甚至更小的方向发展。推动器件小型化、微型化的技术关键是粉体技术以及薄膜技术的发展。以多层陶瓷电容器为例，介电陶瓷的电容C＝k·S/h，提高介电陶瓷电容量的最佳方法是减小介质层的厚度；而对于微波滤波器，谐振频率f0＝1/2π(LC)1/2，在一定的谐振频率下，电容量是定值，为了缩减器件的结构并降低材料的介电损耗，应尽量采用低介电常数，并减少介质层厚度。目前多层陶瓷电容器薄膜已经减少至5um以下，多层陶瓷滤波器的厚度一般在20～300um之间，今后的发展趋势是1～5um的陶瓷电容器薄膜以及10um以下的微波器件薄膜。薄膜至少要有5层以上颗粒堆积成介电陶瓷层才能保证有效隔离内电极，颗粒的大小决定了介质层的最小厚度，纳米粉体无疑是上述问题的最佳解决办法。粉体颗粒的纳米化是世界电子陶瓷的一大发展方向，谁拥有纳米化的商品技术谁就将主宰市场，世界各主要生产商，如AVX/Kyocera Corporation、Philips Components、TDK Corporation、Samsung EMCO、TAM Ceramics等均花巨资对纳米电子陶瓷粉体展开研究。当介质陶瓷材料应用于微波电路时，材料特性以及布线图形会影响传输信号，介质陶瓷材料的介电常数越大，线路信号的延迟时间会越长；因此，开发低介电常数的介质陶瓷材料，对高频下的电路微电子技术具有重要意义。MgSiO3、Mg2SiO4等MgO-SiO2系陶瓷具有良好的微波性能，其介电常数低、品质因素高；但由于利用常规的固相法需要在1300℃以上才能合成MgSiO3、Mg2SiO4晶相，且其烧结温度在1500℃以上，故相关纯MgSiO3、Mg2SiO4晶相陶瓷的研究很少。李小图等在《压电与声光》2004，26(1)48-51.“一种高频低介MLC用瓷料系统的研究”一文对MgO-SiO2-TiO2系展开研究，通过调整Mg2SiO4与Mg2TiO4的比例，获得εr＝12±35.058(1GHz)、tgδ＜1×10-4介电性能良好的高频低介正温度系数陶瓷材料；孙济洲等在《西安交通大学学报》2003，37(6)604-607.“MgO-SiO2-TiO2系统Co、Ca离子掺杂的研究”研究了Co、Ca对MgO-SiO2-TiO2体系的掺杂；罗凌虹等在《无机材料学报》2001，16(5)1009-1014.“高频多层片式电感器介质材料”中研究了B3O3-P2O5-MgO-Al2O3-SiO2体系微晶玻璃作为高频多层片式电感器介质材料的应用。在MgO-SiO2体系的超细粉体研究方面，国内不曾见有相关报道；日本的Sei-ichi Suda等人在《Journal ofNon-Crystalline Solids》1999，255178-184.“Synthesis of MgO-SiO2andCaO-SiO2amorphous powder by sol-gel process and ion exchange”中通过在溶胶凝胶过程中进行离子交换，得到了0.3～0.4um的MgO-SiO2粉体，以该法制备的MgO-SiO2系陶瓷粉体的粒度偏大，不能满足制备超薄型流延膜及微型器件的要求。
技术实现思路
本专利技术从微波器件小型化对微波介质陶瓷材料粉体超细化的要求出发，提供出一种低介电常数微波介质陶瓷纳米粉体的制备方法，选择微波性能优良的MgO-SiO2体系，利用pechini法，通过乙二醇对金属离子的键合和空间位阻作用，并经过加热煅烧使有机物分解和无机盐离子发生氧化反应形成晶粒，从而在较低温度下得到纳米级的MgO-SiO2微波介质陶瓷粉体。本专利技术提出的，包括以下步骤(1)将镁的无机盐溶于去离子水中，再按硅与镁为1∶1的摩尔比加入硅溶胶，充分搅拌使之混合均匀；(2)将一定量的柠檬酸(CA)加入到乙二醇(EG)中，加热使柠檬酸在乙二醇中溶解，CA与EG的摩尔比为1∶4～1∶8；(3)按CA与镁无机盐的摩尔比为1∶1～1∶4将上述(1)与(2)的制得的溶液混合，搅拌；缓慢加热使水份蒸发；然后升温到125℃～135℃保温2～4小时，继续升温到180℃～220℃保温2～4小时，得到松脆的黑色物质；④将上述松脆的黑色物质研磨，放入高铝坩埚中，在800℃～1000℃煅烧，得到白色粉末，即为本专利技术的低介电常数微波介质陶瓷纳米粉体。所述的镁的无机盐可为Mg(NO3)2·6H2O、Mg(CH3COOH)2·4H2O、MgCl2。本专利技术采用Mg(NO3)2·6H2O、Mg(CH3COOH)2·4H2O、MgCl2等镁的无机盐和硅溶胶为原料，价格便宜且原料易得；利用柠檬酸对金属离子的络合作用、乙二醇对金属离子的键合和空间位阻作用，使金属离子均匀分布在聚合物中，从而最终能得到成份均匀的化合物。采用本专利技术工艺，经900℃煅烧后可以得到粒径在80～100nm且分散良好的MgSiO3、Mg2SiO4纳米级微波介质陶瓷粉体，大大降低了MgO-SiO2化合物的合成温度。本专利技术制得的纳米粉体烧结成瓷后具有优良的微波介电性能(εr＝6.4±0.1，Qf＞35000GHz)，可用于制备0402、0201多层微波陶瓷电容器等小型片式多层微波器件，具有极大的工业应用价值。具体实施例方式下面结合实例对本专利技术作进一步描述。实施例1称取1mol的Mg(NO3)2·6H2O溶于一定量的去离子水中，形成1mol/l的硝酸镁水溶液；在该硝酸镁水溶液中按硅为1mol的量加入硅溶胶，搅拌3小时使其混合均匀。将1mol的柠檬酸(CA)加入到4mol的乙二醇(EG)中，加热到90℃使柠檬酸在乙二醇中溶解。将上述两溶液混合、搅拌，缓慢加热使混合溶液中的水份蒸发，得到透明的溶胶状液体。将该透明的溶胶状液体升温到130℃保温3小时，开始保温时会产生气泡并伴有体积膨胀，保温后期其体积不再发生变化，继续升温到210℃保温2小时，然后随炉冷却，得到松脆的黑色物质。将上述松脆的黑色物质研磨，放入高铝坩埚中，在900℃煅烧2小时，得到白色粉末，即为本专利技术的纳米材料。该材料经TEM分析，粒径在80～100nm之间，粒子的分散性较好；XRD分析表明该纳米粉体为MgSiO3、Mg2SiO4的混合相。将上述在900℃煅烧得到的纳米MgSiO3、Mg2SiO4研磨、造粒、压成直径18mm高度8～9mm的圆块，在1450℃烧结，其微波介电性能为εr＝6.43，Qf＝38900GHz。实施例2称取1mol的MgCl2溶于一定量的去离子水中，形成0.8mol/l的氯化镁水溶液；在该氯化镁水溶液中按硅为1mol的量加入硅溶胶，搅拌4小时使其混合均匀。将2mol的柠檬酸(CA)加入到9mol的乙二醇(EG)中，加热到90℃使柠檬酸在乙二醇中溶解。将上述两溶液混合、搅拌，缓慢加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低介电常数纳米微波介质陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤：（１）将镁的无机盐溶于去离子水中，形成０．５～１．５ｍｏｌ／ｌ镁的无机盐水溶液；再按硅与镁为１∶１的摩尔比加入硅溶胶，搅拌１～５小时；（２）将一定量的柠檬酸加入到乙 二醇中，加热使柠檬酸在乙二醇中溶解，柠檬酸与乙二醇的摩尔比为１∶４～１∶８；（３）按柠檬酸与镁无机盐的摩尔比为１∶１～１∶４将上述（１）与（２）溶液混合，搅拌；缓慢加热使水份蒸发；然后升温到１２５℃～１３５℃保温２～４小时，继续升温 到１８０℃～２２０℃保温２～４小时，得到松脆的黑色物质；（４）将上述松脆的黑色物质研磨，放入高铝坩埚中，在８００℃～１０００℃煅烧，得到白色纳米陶瓷粉体。

【技术特征摘要】
1.一种低介电常数纳米微波介质陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤(1)将镁的无机盐溶于去离子水中，形成0.5～1.5mol/l镁的无机盐水溶液；再按硅与镁为1∶1的摩尔比加入硅溶胶，搅拌1～5小时；(2)将一定量的柠檬酸加入到乙二醇中，加热使柠檬酸在乙二醇中溶解，柠檬酸与乙二醇的摩尔比为1∶4～1∶8；(3)按柠檬酸与镁无机盐的摩尔比为1∶1～1∶4将上述(1)与(2)溶液混合，搅拌；缓慢加...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨辉，张启龙，王焕平，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]