[发明专利]一种低介电常数陶瓷粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有较低介电常数的陶瓷粉体及其制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

现代无线通信技术对人类社会的发展起到了极大的推动作用。近年来，随着信息量的日益增大，对需要传送的信息容量以及传输速度要求越来越高。为解决低频段的拥挤并扩大频率资源，无线通信正朝更高频段的方向发展；无线通信使用频率的提高，要求作为信息技术基本组成要素的电子元器件具有较高的自谐振中心频率(f₀)。高的自谐振中心频率对应着低的介电常数。低介电常数能减小材料与电极之间的交互耦合损耗，并提高电信号的传输速率；发展低介电常数材料以满足高频和高速的要求，已成为当今电子材料如何适应高频应用的一个挑战。

CaMgSi₂O₆陶瓷是一种具有优良性能的低介电常数陶瓷材料，Sun等(MatSciEngB,2007,138:46-50)以固相法合成了CaMgSi₂O₆陶瓷，其介电常数为7.46、品质因数为59,638GHz、频率温度系数为-46ppm/℃，但其烧结温度高、烧结范围窄(1290～1310℃)。为提高CaMgSi₂O₆陶瓷的烧结性能与介电性能，张等(CeramInt,2013,39:2051-2508)通过Zn²⁺对Mg²⁺的取代，研究了CaMg_1-xZn_xSi₂O₆陶瓷的烧结性能与微波介电性能，并通过添加LiF作为烧结助剂来降低陶瓷的烧结温度，然而Ca(Mg,Zn)Si₂O₆陶瓷的烧结性能仍然较差，且添加烧结助剂LiF后其介电性能大幅下降。Wang等(CeramInt,2014,40:3333-3339)利用Al³⁺对Mg²⁺和Si²⁺的同时取代，合成了Ca(Mg_1-xAl_x)(Si_1-x/2Al_x/2)₂O₆陶瓷，发现铝的固溶极限在0.15-0.2之间，并能有效降低陶瓷的烧结温度（超过50℃），但随着铝添加量的增加，陶瓷的品质因数出现了下降。因此，如何制备出具有较高烧结活性的CaMgSi₂O₆基陶瓷粉体，在不降低介电性能的基础上提高陶瓷的烧结性能，对开发高性能的介质陶瓷、促进无线通信技术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有良好烧结活性、介电性能优异的低介电常数陶瓷粉体及其制备方法。

本发明提出的低介电常数陶瓷粉体，它具有核-壳两层结构：中间的核层为CaMgSi₂O₆，外面的壳层为Ca(Mg_1-x-y-zAl_xZn_yCo_z)(Si_1-x/2Al_x/2)₂O₆，其中0.04≤x≤0.1，0≤y≤0.2，0≤z≤0.1，壳层物质与核层物质的摩尔比为0.05～0.3:1。

本发明的低介电常数陶瓷粉体的制备方法，包括下述步骤：

(1)将具有相同摩尔数的钙的化合物与镁的化合物同时溶解在无水乙醇中，使钙离子与镁离子在无水乙醇中的浓度为2～6mol/l，然后搅拌混合均匀；

(2)将两倍于上述钙离子物质量的正硅酸乙酯溶解在无水乙醇中，配制浓度为2～6mol/l的溶液，然后将该溶液加入到步骤(1)的溶液中，同时加入适量乙酸将混合溶液的pH值调节至4.5～5.2；

(3)按照溶液质量的2～6wt%向步骤(2)所得溶液加入分散剂，并按硅元素物质量的2～8倍添加去离子水，混合搅拌均匀后再在50～80℃的温度下进行保温，直至获得不能流动的凝胶；

(4)将上述凝胶置于100℃保温4小时，然后再升温至900～1200℃保温2～4小时，获得具有CaMgSi₂O₆物相的陶瓷粉体；