一种兼具低烧结温度与高耐电强度的氧化镁基微波介质陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种兼具低烧结温度与高耐电强度的氧化镁基微波介质陶瓷及其制备方法，所述MgO基微波介质陶瓷材料的化学组成为：（a MgO

【技术实现步骤摘要】
一种兼具低烧结温度与高耐电强度的氧化镁基微波介质陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种低温烧结的电介质陶瓷，具体涉及一种兼具低烧结温度与高耐电强度的氧化镁基微波介质陶瓷及其制备方法，涉及低温共烧、高压绝缘、微波介质陶瓷等


技术介绍

[0002]微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料。低温共烧陶瓷(Low Temperature Co
‑
fired Ceramics,LTCC)技术是微波电路及器件小型化、集成化的关键技术，它是由高温共烧陶瓷技术发展而来，将多层陶瓷基板与各种电极及多种被动元器件(电容、电阻、电感、滤波器等)共烧获得无源集成组件，是一种实现电子设备整机集成化、小型化和高可靠的封装技术，在无线通讯、电子信息等领域有着广泛的应用(可阳极键合低温共烧陶瓷(LTCC)材料的研究[D].中国科学院大学,2019.)。低温共烧陶瓷技术的一个主要技术特征是将低电阻的金属Cu(熔点：1083℃)、Au(熔点： 1063℃)、Ag(熔点：960℃)或其合金引入陶瓷中布线并进行共烧(Multilayered LowTemperature Cofired Ceramics(LTCC)Technology,springer,New York,2005.)，这就要求陶瓷材料的烧结温度低于电极材料的熔点，通常小于950℃(International Materials Reviews53(2) (2013)57
‑
90.)。
[0003]电介质指在外加电场作用下提供绝缘支撑并实现一定功能的材料，电介质的电阻率一般都很高，可以认为是绝缘体。在外加电场作用下，电介质很容易发生击穿，所谓固体电介质的击穿是指在高电场作用下材料两电极发生连通并最终导致绝缘性能的丧失(电介质物理学，机械工业出版社，北京，1986)。电介质的击穿是电介质在外加电场作用下失效的主要形式，耐电强度(breakdown strength，击穿发生时电介质单位长度方向上的电场强度)是介质材料最重要的参数之一，因为它对应于介质材料可施加电压的上限并限定了其工作电压的范围(Prog.Mater.Sci.102(2019)72
‑
108.)。超高压输送电技术、脉冲功率技术的发展对材料的耐电强度提出了更高的要求。
[0004]氧化镁(MgO)是一种宽禁带高绝缘的线性电介质材料，具有低介电常数、低介电损耗和高品质因子，是一种理想的微波介质陶瓷材料(J.Am.Ceram.Soc.101(7)(2018)3026
‑ꢀ
3031.)。此外，MgO还具有非常高的耐电强度，掺杂改性后的MgO基介质陶瓷的耐电强度最高可达到约120kV/mm(J.Mater.Chem.C 7(26)(2019)8120
‑
8130.)。然而，MgO基陶瓷的烧结通常需要在1500～1600℃完成，一方面这需要很高的能耗；另一方面，超高的的烧结温度限制了MgO基陶瓷在低温共烧
的应用。研究表明，引入助烧剂LiF可以显著降低MgO陶瓷的烧结温度至950℃；然而，该材料体系烧结温度的降低是以其电学性能为代价的，尤其耐电强度，仅为约35kV/mm(Journal of Materiomics 2021,7,478.)。因此，如何在MgO基陶瓷低温烧结的同时保证其具有较高的耐电强度在低温共烧陶瓷、高压绝缘材料、微波介质陶瓷等
具有非常重要的工程应用价值。

技术实现思路

[0005]为了解决MgO基介质陶瓷在低温烧结的同时耐电强度显著恶化的问题，本专利技术提供了一种兼具低烧结温度与高耐电强度的MgO基微波介质陶瓷及其制备方法。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种兼具低烧结温度与高耐电强度的MgO基微波介质陶瓷材料，所述MgO基微波介质陶瓷材料的化学组成为：(a MgO
‑
b LiF)
‑
x MO；其中，a、b 为摩尔百分比，0.01＜b＜0.04且a+b＝1；x为质量百分比，且0＜x＜2wt％；MO为MnO、 MnO2、Sc2O3、Ni2O3、Fe2O3和ZrO2中的至少一种。高价阳离子的选择是依据离子取代与固溶规则，即相同的配位环境下(MgO基体中，阳离子与氧离子间的配位数为6)，离子半径应尽可能的接近(离子半径差＜15％)。离子半径:Mg
2+
(0.72nm)，Sc
3+
(0.7nm)，Mn
4+ (0.67nm)，Fe
3+
(0.65nm)，Zr
4+
(0.72nm)，Ni
3+
(0.6nm)因而施主取代易于发生，提高了耐电强度，同时还具有较好的微波性能。
[0007]本专利技术通过受主掺杂与施主掺杂的协同作用，通过调控MgO的缺陷能级与能带结构获得了兼具低烧结温度与高耐电强度的MgO基介质陶瓷。Li
+
受主掺杂通过氧空位的形成促进了烧结过程中的传质作用从而达到降低烧结温度的目的；高价阳离子(Mn离子、Sc离子、Ni离子、Fe离子和Zr离子)施主掺杂通过调控MgO的缺陷能级与能带结构以提供电子空穴复合中心，弥补LiF受主掺杂形成的氧空位等缺陷，提高材料的耐电强度。
[0008]本专利技术所述MgO基微波介质陶瓷烧结温度为900～950℃，耐电强度40～70 kV/mm，同时还具有良好的微波特性，品质因子5
×
104～1
×
105GHz，并与银电极兼容。
[0009]较佳地，所述MgO基微波介质陶瓷化学组成中0.01＜b＜0.03，优选b＝0.02，0.1 wt％≤x≤1wt％。(通过适量的高价阳离子掺杂取代，以弥补Li离子受主掺杂所形成的氧空位，提高耐电强度；当掺杂浓度过高(＞1wt％)，由于离子间有限的固溶度，会生成杂相，反而会恶化材料的性能。
[0010]第二方面，本专利技术提供了一种上述MgO基微波介质陶瓷的制备方法，包括：将Mg 源高温煅烧，得到高纯MgO粉体；将MgO、LiF、M源按比例混合，湿法球磨烘干后，得到原料粉体；经过筛、造粒、成型得到陶瓷生坯；所述陶瓷生坯经排塑、烧结后得到所述 MgO基微波介质陶瓷。(制备方法属于传统固相反应；特别之处在于采用高温煅烧后的镁盐作为Mg源以提高烧结活性，相比于以纳米MgO粉体或电融MgO粉体制备的陶瓷具有更高的致密度。)
[0011]较佳地，所述Mg源为碱式碳酸镁、醋酸镁、草酸镁、氢氧化镁、氯化镁中的一种或几种。将含镁无机盐高温煅烧，可以提高粉体的烧结活性同时排除原料中的结晶水。
[0012]较佳地，所述M源为金属M的氧化物、碳酸盐、草酸盐、醋酸盐中的至少一种，优选金属M的氧化物或碳酸盐。
[0013]较佳地，所述将Mg源高温煅烧的温度为800～1000℃，时间为2～6小时；所述煅烧的升温速率为1～5℃/分钟；优选以2℃/分钟的速率升温至900℃并保温4小时，随炉冷却。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具低烧结温度与高耐电强度的MgO基微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述MgO基微波介质陶瓷材料的化学组成为：（a MgO
‑ꢀ
b LiF）
‑
x MO；其中，a、b为摩尔百分比，0.01<b<0.04 且a+b=1；x为质量百分比，且0<x<2 wt%；MO为MnO、MnO2、Fe2O3、Sc2O3、Ni2O3和ZrO2中的至少一种。2.根据权利要求1所述的MgO基微波介质陶瓷材料，其特征在于，所述MgO基微波介质陶瓷化学组成中0.01< b < 0.03，优选b=0.02；0.1 wt% ≤ x ≤1 wt%。3.一种如权利要求1或2所述的MgO基微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：将Mg源高温煅烧，得到高纯MgO粉体；将 MgO、LiF、M源按比例混合，湿法球磨烘干后，得到原料粉体；经过筛、造粒、成型得到陶瓷生坯；所述陶瓷生坯经排塑、烧结后得到所述MgO基微波介质陶瓷。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Mg源为碱式碳酸镁、醋酸镁、草酸镁、氢氧化镁、氯化镁中...

【专利技术属性】
技术研发人员：董显林，张弛，陈莹，
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：