冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法技术

本发明专利技术属于微波介质陶瓷材料制备技术领域，涉及一种冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法，将Zn3B2O6与20wt.％的不同浓度的冰醋酸水溶液混合，形成固液混合物，再采用热压方法，通过调节烧结温度，烧结时间和单轴压力实现其致密化，再通过不同退火温度进一步实现致密化。本发明专利技术相比于传统高温固相反应，该方法可以在较低温度范围内实现致密化，且制备过程简单，烧结温度更低，时间更短，节约能耗，得到的微波介质陶瓷材料性能优异，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法。属于微波介质陶瓷材料制备


技术介绍

[0002]微波介质陶瓷是一种新型多功能陶瓷材料，通常作为介质材料应用于介质谐振器、介质滤波器、介质天线等微波元器件中。近年来，随着物联网、互联网+、5G通讯、北斗全球定位系统、无线移动基站、VR虚拟技术等多路通讯技术的迅猛发展，微波技术正在逐步往更高频率更宽频带两个方向发展，进而使得有限的微波频带内资源得到合理高效的使用，这也对微波介质陶瓷材料提出了更高的标准。低介电常数可以提高无线电信号的传输速率，高品质因数在一定程度上提高电路增益，降低能量的损失，以保持工作的稳定性，因此，寻找低介电常数(ε
r
<15)和低损耗(高Q
×
f)的微波介质材料日益成为学术界关注的焦点。
[0003]高温固相烧结工艺(TSP)的烧结温度高且烧结时间长，耗能；并且在高温下，陶瓷无法与低熔点、低电阻率的金属导线共烧，阻碍了微波介电陶瓷作为基板的集成封装，而且某些材料在高温烧结过程中易出现附加相，发生额外的化学反应，使其性能受到影响。冷烧结技术(CSP)大大降低了烧结温度和烧结时间，仅需一定的液相和压力就可实现致密化，工艺流程简单，能量消耗更少，制造成本更低，减少二氧化碳的排放。此外，此技术可高度集成制备低加工温度、低损耗的陶瓷介质、金属与基板，克服陶瓷、金属电极与PCB板在高温下的化学不兼容性。<br/>
技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法，实现在低温条件下制备出晶粒均匀且相对密度≥90％的致密化陶瓷，相比于传统高温固相烧结反应法，方法可以在较低温度范围内实现致密化，且制备过程简单，得到的微波介质陶瓷材料性能优异，具有良好的应用前景。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0006]一种冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法，Zn3B2O6与 20wt.％的不同浓度(C)的冰醋酸水溶液混合，形成固液混合物，再采用热压方法，通过调节烧结温度(ST)，烧结时间(T)和单轴压力(P)实现其致密化，最终通过不同退火温度(AT)进一步实现致密化。其中：C＝0.5mol/L、1mol/L、2mol/L、4mol/L、 6mol/L、8mol/L；ST＝120℃、140℃、160℃、180℃、200℃；T＝30min、60min、 90min、120min、150min；P＝100MPa、200MPa、300MPa、400MPa、500MPa； AT＝400℃、450℃、500℃、550℃、700℃；通过该方法制备的Zn3B2O6微波陶瓷，其介电常数(ε
r
)范围为5.0～5.95，品质因数Q
×
f的范围为6000～20620GHz，谐振频率温度系数(τf)的范围为
‑
70ppm/℃～
‑
66.4ppm/℃。
[0007]一种冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤五：混料：称量Zn3B2O6粉末并加入20wt.％不同摩尔浓度的冰醋酸水溶液，混
合均匀成面团状含水混合物；
[0009]步骤六：低温烧结：将步骤一所得的含水混合物置入模具中，将模具放在压片机上保压，再移入热压机中，烧结温度加热至120℃
‑
200℃，烧结时间为 30
‑
150min，施加100
‑
500MPa压力给模具，得到致密化陶瓷；
[0010]步骤七：干燥：将步骤二所得的致密化陶瓷，在120℃的烘干箱中干燥24 小时以除去残留的水分，得到Zn3B2O6陶瓷样品；
[0011]步骤八：冷烧结辅助退火处理：将步骤三所得的Zn3B2O6陶瓷样品放置在预烧粉末上，后放入高温炉进行退火处理，退火温度为400
‑
700℃。
[0012]所述Zn3B2O6粉末的制备方法包括以下步骤：
[0013]步骤一：称量配料：按照化学式Zn3B2O6称量原料ZnO、H3BO3；避免实验误差，用精密电子秤称量所需原料，允许有
±
0.0005g称量误差，注意整个过程中应该避免其他粉料的污染，从而确保实验的准确性；
[0014]步骤二：一次球磨：将各原料倒入球磨罐，球磨后将浆料烘干至恒重，得到第一次球磨料；
[0015]步骤三：预烧：将一次球磨料过筛，预烧得到干粉；
[0016]步骤四：二次球磨：将预烧得到的干粉进行第二次球磨，球磨后进行烘干至恒重，再研磨、过筛，得到Zn3B2O6单相粉末。
[0017]所述步骤一中ZnO和H3BO3的纯度均为99.99％；称量前，将ZnO和H3BO3置于120℃高温箱中进行干燥处理。称量前，ZnO和H3BO3通过以下方法进行预处理：将ZnO和H3BO3置于120℃高温箱中干燥至少6h除去原料中额外的水分，防止易吸水原料影响实验的精准性。由于煅烧过程中B2O3挥发会导致硼元素的缺失，所以在称重时，多称量12wt.％的H3BO3作为补偿。
[0018]所述步骤二中一次球磨的具体步骤为：将原料倒入球磨罐中，氧化锆珠做球磨介质，按1：4的比例加入无水乙醇，无水乙醇的量加到球磨罐的3/4处，将球磨罐放入球磨机中，使混合粉浆在200r/min下球磨6h，后将混合好的粉浆倒入装有塑料薄膜的干燥盒中，置于80℃的恒温烘箱将无水乙醇烘干。
[0019]所述步骤三中，预烧的具体步骤为：将一次球磨烘干后的粉料研磨后过100 目筛，倒入坩埚中放入高温炉，在825℃下预烧3h，自然冷却后得到干粉。
[0020]所述步骤四中，第二次球磨的具体步骤为：将预烧得到的干粉倒进球磨罐内氧化锆珠做球磨介质，按1：4的比例加入无水乙醇，无水乙醇的量加到球磨罐的3/4处，然后将球磨罐放入球磨机中，使混合粉浆在200r/min下球磨6h后将混合好的粉浆倒入装有塑料薄膜的干燥盒中，置于80℃的恒温烘箱将无水乙醇烘干，将烘干粉末研磨过200目筛。
[0021]所述步骤五中混料的具体步骤为：将二次球磨后得到的Zn3B2O6粉末与 20wt.％的不同浓度的冰醋酸水溶液倒入玛瑙研钵中，手动研磨混合2
‑
5min使固液混合均匀，浓度为0.5mol/L
‑
8mol/L。其中C＝0.5mol/L、1mol/L、2mol/L、4mol/L、 6mol/L、8mol/L。
[0022]所述步骤六中低温烧结的具体步骤为：将混合物倒入12.7mm直径的不锈钢模具中，后放入热压机中，在室温下施加4MPa单轴压力，保压时间为5min，再用热压机进行冷烧结处理，热压机的单轴压力为100
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500MPa压力，液压机以5℃/min的升温速率将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法，其特征在于：将Zn3B2O6与20wt.％的不同浓度的冰醋酸水溶液混合，形成固液混合物，再采用热压方法，通过调节烧结温度，烧结时间和单轴压力实现其致密化，再通过不同退火温度进一步实现致密化。2.根据权利要求1所述的一种冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤五：混料：称量Zn3B2O6粉末并加入20wt.％不同摩尔浓度的冰醋酸水溶液，混合均匀成面团状含水混合物；步骤六：低温烧结：将步骤一所得的含水混合物置入模具中，将模具放在压片机上保压，再移入热压机中，烧结温度加热至120℃
‑
200℃，烧结时间为30
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150min，施加100
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500MPa压力给模具，得到致密化陶瓷；步骤七：干燥：将步骤二所得的致密化陶瓷，在120℃的烘干箱中干燥24小时以除去残留的水分，得到Zn3B2O6陶瓷样品；步骤八：冷烧结辅助退火处理：将步骤三所得的Zn3B2O6陶瓷样品放置在预烧粉末上，后放入高温炉进行退火处理，退火温度为400
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700℃。3.根据权利要求2所述的一种冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述Zn3B2O6粉末的制备方法包括以下步骤：步骤一：称量配料：按照化学式Zn3B2O6称量原料ZnO、H3BO3；步骤二：一次球磨：将各原料倒入球磨罐，球磨后将浆料烘干至恒重，得到第一次球磨料；步骤三：预烧：将一次球磨料过筛，预烧得到干粉；步骤四：二次球磨：将预烧得到的干粉进行第二次球磨，球磨后进行烘干至恒重，再研磨、过筛，得到Zn3B2O6单相粉末。4.根据权利要求3所述的一种冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中ZnO和H3BO3的纯度均为99.99％；称量前，将ZnO和H3BO3置于120℃高温箱中进行干燥处理。5.根据权利要求3所述的一种冷烧结辅助低温致密化Zn3B2O6微波陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中一次球磨的具体步骤为：将原料倒入球磨罐中，氧化锆珠做球磨介质，按1：4的比例加入无水乙醇，无水乙醇的量加到球磨罐的3/4处，将球磨罐放入球磨机中，使混合粉浆在200r/min下球磨6h，后将混合好的粉浆倒入装有塑料薄膜的干燥盒中，置于8...

【专利技术属性】
技术研发人员：李郴，刘亚晗，姜宇，毛敏敏，宋开新，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：