[发明专利]利用放电等离子体烧结高介电CaCu3Ti4O12陶瓷的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种高介电CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的烧结方法。

背景介绍：

CaCu₃Ti₄O₁₂(CCTO)是一种目前研究比较热门的高介电电子材料，其室温低频段的相对介电常数高达10⁴～10⁵，且介电性能在较宽的温度范围内(100-300K)比较稳定，因此，CCTO材料在微电子方面具有较好的应用前景。

CCTO陶瓷的传统烧结方法是用普通压片机在一定压力下(一般高达几十甚至几百兆帕斯卡)将CCTO粉末压制成片后在马弗炉中高温烧结。为了获得较为致密的陶瓷，需要经过较长的烧结时间(一般要几十小时)。因此，能耗较大。

放电等离子体烧结(SPS)是一种可以通过短时间烧结即可获得较致密片状材料的烧结方法，它在制备各种合金和陶瓷材料中已有广泛应用。但由于CCTO的特殊性能，目前SPS烧结还没有在CCTO陶瓷的生产上使用。

发明内容：

本发明的目的就是根据CCTO的特殊性能提供一种能够利用SPS烧结CCTO陶瓷的方法，既能相对现有方法大大减少高温烧结时间以有效降低能耗，又能保有或增加CCTO的高介电性能。

本发明的技术方案由以下步骤组成：

1.将纯CaCu₃Ti₄O₁₂粉末装入模具并将该模具放入放电等离子体烧结腔里的上下电极间；

2.关闭烧结腔，开启真空泵，对烧结腔抽真空；

3.对烧结腔升温加压，待升温至800-980摄氏度时加压强至20-70兆帕，保温5-60分钟，而后随炉冷却并随温减压，关真空泵；

4.等温度降到100℃以下时，将产品从烧结腔里取出。

上述纯CaCu₃Ti₄O₁₂粉末可用溶胶-凝胶法制得。

在上述升温加压过程中，压强大小应随温度升高而逐步加大，在低温时应只加少许压力。而在上述随炉冷却过程中可将压力减至最小。

如果上述模具为石墨模具，则利用上述技术方案所得陶瓷的表面会出现一定厚度的渗碳层，为了除去渗入的碳需要将烧结好的样品再在马弗炉中进行500-900℃，保温2小时以上的退火处理，而后再将退火后所得陶瓷表面由于渗碳而分解的部分打磨掉并抛光。

根据本发明烧结的CCTO陶瓷，其烧结的产品的XRD结果显示样品为纯相，使用SEM可以观察到其形貌比较致密，介电性能测量显示样品在室温下具有较高的相对介电常数和较低的损耗。

附图说明：

附图1为本发明烧结的CCTO的断面扫描电镜形貌图；

附图2为本发明不同烧结温度的CCTO的介电性能。其中图2-1为相对介电常数比较图，图2-2为损耗比较图；

附图3为本发明不同烧结保温时间的CCTO的介电性能。其中图3-1为相对介电常数比较图，图3-2为损耗比较图；

附图4为本发明不同烧结压力的CCTO的介电性能。其中图4-1为相对介电常数比较图，图4-2为损耗比较图；

附图5为本发明不同退火温度的CCTO的介电性能。其中图5-1为相对介电常数比较图，图5-2为损耗比较图；

附图6为本发明退火保温时间为2小时和10小时的CCTO的介电性能。其中图6-1为相对介电常数比较图，图6-2为损耗比较图；

附图7为放电等离子烧结和普通烧结的介电性能。其中图7-1为相对介电常数比较图，图7-2为损耗比较图；

上述附图中：F-频率；ε′-相对介电常数；tanδ-损耗。

具体实施方式

下面以石墨模具为例，结合附图对本发明作进一步的介绍：

实施例一：

制备条件为：烧结保温时间为5分钟，烧结温度为980摄氏度，烧结压力为51兆帕，退火温度为600摄氏度，退火保温时间为2小时。

从附图1可知，经短时间烧结后，所得到的样品非常致密。

实施例二；

制备条件为：烧结保温时间为5分钟，烧结压强为51兆帕，退火温度为600摄氏度，退火保温时间为10小时，但烧结温度却是一个为800摄氏度另一个为980摄氏度。

从附图2-1和附图2-2可知：相应陶瓷在10000Hz下的相对介电常数前者为：3.0×10³，后者为7.0×10³，在这一频率下的损耗前者为：0.12，后者为：0.12；