CN110386815B - 一种具有较高可调率低损耗可实用的钛酸锶钡复合铝酸锌陶瓷材料 - Google Patents

一种具有较高可调率低损耗可实用的钛酸锶钡复合铝酸锌陶瓷材料 Download PDF

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Abstract

一种高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料，其特征在于，高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料的组分通式为：(1‑x)Ba0.4Sr0.6TiO3‑xZnAl2O4，其中，x的取值范围为30 wt%≤x≤70 wt%，选用BaTiO3粉体、SrTiO3粉体、ZnO粉体和Al2O3粉体作为主要原料，按照(1‑x)Ba0.4Sr0.6TiO3‑xZnAl2O4配料，经过球磨、干燥、高温预烧制得混合粉料，压片后于550℃~600℃的温度下预烧再在1400℃~1450℃的温度下烧成。本发明制得的高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料在很宽范围的工作温区下性能表现稳定，且综合性能高。

Description

一种具有较高可调率低损耗可实用的钛酸锶钡复合铝酸锌陶 瓷材料
技术领域
本发明属于电子材料与器件技术领域，具体涉及一种高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料及其制备。
背景技术
铁电材料的一个重要特征就是介电非线性，即介电常数能随外加电场的变化而变化。这使得铁电材料可应用在微波器件如可调振荡器、滤波器、移相器和变容器中。铁电材料钛酸锶钡是其中的一种理想的候选材料，具有高可调率、较低的介电损耗和介电常数大等特点。另外它的居里温度可以通过调节Ba/Sr改变，使其处于顺电相，这非常有利于室温下的工作。但钛酸锶钡陶瓷存在的问题是高的介电常数难以满足其与激励源内部阻抗匹配和大功率的要求，这限制了其在微波可调器件领域的应用。可调率具有很强的电场依赖性，它可表示为Tunablity（简写为T）=[ε r(0)–ε r(E) ] /ε r(0)× 100%，其中ε r(0)、ε r(E) 分别为零电场和外加直流电场下的介电常数。例如在典型的应用移相器中，器件改变相位角的能力主要取决于材料的可调性大小，而介电损耗如果过大，会使器件发热严重，因此高电可调低损耗的材料是我们所需要的。在材料的性能裁制中，可调率、介电损耗和介电常数三者往往是相互制约的关系，所以现有的研究工作都是在可调性、介电损耗和介电常数三者参数中折中调控，以期获得器件的最佳性能。介电材料复合铁电材料一直都是最简单和有效的方法，研究人员发现复合低损耗的线性介电材料，会稀释铁电材料的介电常数，从而降低材料的介电损耗；而复合材料的可调率却会受到削弱，这与铁电材料铁电性的稀释和线性介电材料在电场下会引起电场的重新分配有关。目前已经报道的铁电介电体系中，像是BST-MgAl2O4、BST-Mg2TiO4，介电常数、介电损耗和介电可调性已经达到实用要求，但仍存在微波下Q值（介电损耗的倒数）过低、可调性不够高的问题，综合性能仍需要进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种综合性能高、制备工艺简单的高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌铁电介电陶瓷材料，其技术方案为：
一种高电可调低损耗钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料，其特征在于，高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷铁电介电材料的化学组成式为：(1-x)Ba0.4Sr0.6TiO3-xZnAl2O4，其中，x的取值范围为30 wt % ≤ x ≤ 70 wt %，其制备方法包括以下步骤：
（1）选用BaTiO3粉体、SrTiO3粉体、ZnO粉体和Al2O3粉体作为主要原料，按照(1-x)Ba0.4Sr0.6TiO3-xZnAl2O4中Ba、Sr、Ti、Zn和Al的化学计量比配料，将配好的原料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后进行预烧结及研磨后得到混合粉料1；在所述进行预烧的温度为1100℃~1200℃，烧结时间为4~6小时。
（2）将（1）中所述的混合粉料1加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行24~48小时球磨，出料烘干后过筛得到混合粉料2；
（3）将（2）中所述的混合粉料2加入质量比为7%~10%的聚乙烯醇水溶液混合均匀并造粒，然后在10MPa~100MPa压力下压制成陶瓷生坯片；
（4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在550℃~600℃的温度下，保温时间为4~10小时排胶处理；排胶后于1400℃~1450℃下时间为4~6小时烧结成瓷，制得高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料。
本发明高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌铁电介电陶瓷材料具有以下优点：
（1）通过优选的Ba/Sr，将复合陶瓷的居里温度控制在合适的区间，复合陶瓷(1-x)Ba0.4Sr0.6TiO3-xZnAl2O4在很宽的工作温区内具有高的介电可调性，尤其适用于室温及以上工作温度；
（2）通过使用不同的x质量比，将介电常数调节在合适的不同区间内，可满足不同器件应用下的需求，拓宽了材料的应用范围；
（3）具有低的介电常数、低的介电损耗和高的电可调性（在改变x的数组调节组分质量百分比时，仍可同时满足三者的高性能）,并且微波下的综合介电性能高；
（4）采用传统的电子陶瓷制备工艺，工艺简单；材料体系属于绿色环保材料，无毒无副作用。材料性能优异，适用于微波可调振荡器、滤波器、移相器和微波介质天线等元器件。
具体实施方式
实施例1
（1）按照70 wt % Ba0.4Sr0.6TiO3+30 wt % ZnAl2O4中的化学计量比分别称取BaTiO38.4g、SrTiO312.6g、ZnO4g和Al2O35g粉体，将配好的原料置于尼龙球磨罐中加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后进行预烧及研磨后得到混合粉料1；在所述进行预烧的温度分别为1100℃和1200℃，烧结时间为4小时；
（2）将（1）中所述的混合粉料1加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行球磨24小时，出料烘干后过筛得到混合粉料2；
（3）将（2）中所述的混合粉料2加入质量比为10%的聚乙烯醇水溶液混合均匀并造粒，然后在10MPa压力下压制成陶瓷生坯片；
（4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在550℃的温度下，保温时间为10小时排胶处理；排胶后于1450℃下时间为4小时烧结成瓷，制得高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料。
实验所用的BaTiO3纯度为99.5%，麦克林生化科技有限公司生产，SrTiO3纯度为99.5%，麦克林生化科技有限公司生产，ZnO纯度为99.9%，天津化学试剂三厂生产，Al2O3纯度为99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产。制备的高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料性能参数见表1。
实施例2
（1）按照50 wt % Ba0.4Sr0.6TiO3+50 wt % ZnAl2O4中的化学计量比分别称取BaTiO37.0g、SrTiO39.0g、ZnO6.7g和Al2O38.3g粉体，将配好的原料置于尼龙球磨罐中加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后进行预烧及研磨后得到混合粉料1；在所述进行预烧的温度分别为1100℃和1200℃，烧结时间为6小时；
（2）将（1）中所述的混合粉料1加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行球磨30小时，出料烘干后过筛得到混合粉料2；
（3）将（2）中所述的混合粉料2加入质量比为8%的聚乙烯醇水溶液混合均匀并造粒，然后在30MPa压力下压制成陶瓷生坯片；
（4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在580℃的温度下，保温时间为7小时排胶处理；排胶后于1400℃下时间为6小时烧结成瓷，制得高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料。
实验所用的BaTiO3纯度为99.5%，麦克林生化科技有限公司生产，SrTiO3纯度为99.5%，麦克林生化科技有限公司生产，ZnO纯度为99.9%，天津化学试剂三厂生产，Al2O3纯度为99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产。制备的高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料性能参数见表1。
实施例3
（1）按照30wt % Ba0.4Sr0.6TiO3+70 wt % ZnAl2O4中的化学计量比分别称取BaTiO33.6g、SrTiO35.4g、ZnO9.3g和Al2O311.7g粉体，将配好的原料置于尼龙球磨罐中加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后进行预烧及研磨后得到混合粉料1；在所述进行预烧的温度分别为1200℃和1200℃，烧结时间为5小时；
（2）将（1）中所述的混合粉料1加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行球磨48小时，出料烘干后过筛得到混合粉料2；
（3）将（2）中所述的混合粉料2加入质量比为7%的聚乙烯醇水溶液混合均匀并造粒，然后在100MPa压力下压制成陶瓷生坯片；
（4）将（3）中所述的陶瓷生坯片在600℃的温度下，保温时间为4小时排胶处理；排胶后于1450℃下时间为5小时烧结成瓷，制得高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料。
实验所用的BaTiO3纯度为99.5%，麦克林生化科技有限公司生产，SrTiO3纯度为99.5%，麦克林生化科技有限公司生产，ZnO纯度为99.9%，天津化学试剂三厂生产，Al2O3纯度为99.9%，国药集团化学试剂有限公司生产。制备的高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料性能参数见表1。
表1 不同复合量及不同烧成制度下（1-x）Ba0.4Sr0.6TiO3-xZnAl2O4复合材料的电学性能
Figure 659435DEST_PATH_IMAGE002
由上表测得复合材料的介电参数可知，本发明复合体系综合性能高：复合材料可调率高，并且稳定性好（即使介电常数大幅降低也没有削弱可调率）；介电常数被调控到合适的数值，可以满足不同微波器件需求，同时微波下的Q值得到了较优程度的保持。例如在30 wt % Ba0.4Sr0.6TiO3+70 wt % ZnAl2O4的复合含量下，介电常数被调控在178、介电损耗为0.0093，而可调性高达31.5%，微波下Q值达到707。本发明制备工艺简单，重复率好且成品率高，适用于多种微波可调元器件，并且适合企业规模化生产。

Claims (1)

1.一种高电可调低损耗钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料，其特征在于，高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷铁电介电材料的化学组成式为：(1-x)Ba0.4Sr0.6TiO3-xZnAl2O4，其中，x的取值范围为30 wt % ≤ x ≤ 70 wt %，其制备方法包括以下步骤：
（ 1 ） 选用BaTiO3粉体、SrTiO3粉体、ZnO粉体和Al2O3粉体作为主要原料，按照（1-x）Ba0.4Sr0.6TiO3-xZnAl2O4中Ba、Sr、Ti、Zn和Al的化学计量比配料，将配好的原料置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和球磨介质后进行球磨，出料烘干后进行预烧结及研磨后得到混合粉料1；在所述进行预烧的温度为1100℃~1200℃，烧结时间为4~6小时；
（ 2 ） 将（1）中所述的混合粉料1加入氧化锆球和无水乙醇或去离子水进行24~48小时球磨，出料烘干后过筛得到混合粉料2；
（ 3 ） 将（2）中所述的混合粉料2加入质量比为7%~10%的聚乙烯醇水溶液混合均匀并造粒，然后在10MPa~100MPa压力下压制成陶瓷生坯片；
（ 4 ） 将（3）中所述的陶瓷生坯片在550℃~600℃的温度下，保温时间为4~10小时排胶处理；排胶后于1400℃~1450℃下时间为4~6小时烧结成瓷，制得高电可调低损耗的钛酸锶钡基复合铝酸锌陶瓷的铁电介电材料。
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