[发明专利]一种镁掺杂新型钛酸铋钠基无铅介电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷元件制备技术领域，特别是一种具有高稳定、低介电损耗的镁掺杂新型钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料，它是一种新型的低介电常数、极低介电损耗的钙钛矿的压电陶瓷材料，在集成电路的PCB陶瓷基板，高频器件间信息的传输，中介质微波陶瓷，铁电材料等具有广泛的运用前景。

背景技术

铁电、压电陶瓷材料是一种信息功能材料。广泛应用于电子信息、集成电路、计算机等科学技术领域，是许多新型电子元器件的基础材料。在大生态，大融合的电子产业发展背景下，寻找优性能更高、环境友好的陶瓷材料是大势所趋。但是在目前看来，含铅的铁电、压电陶瓷材料在市场中占有极其重要的统治地位。这种PZT基含铅材料给环境带来沉重的负担，其含有毒的PbO质量百分比通常在50％以上，这样对人体和环境造成很大的危害。因而，发展无铅铁电陶瓷介质和压电陶瓷材料就成为了当前铁电陶瓷材料一项有待解决的重要课题。在现有技术中，NBT无铅陶瓷材料正取代含铅或其他有毒材料，在陶瓷电容器、PTC热敏电阻等方面有很好的应用前景。NBT具有强铁电性，压电性能良好，介电常数较小(240～340)及声学性能佳、烧结温度低等特点，这种NBT无铅陶瓷材料通常化学通式为Na_0.5Bi_0.5TiO₃是目前研究最广泛、最具有实用化前景的无铅压电陶瓷体系之一。在黄光庆等著作《铋掺杂对BST/MT复相铁电材料介电性能的影响》有报道，铁电陶瓷介质在微波频段的相对介电常数在100左右，而介质损耗约为2×10^-2，在许春来等著作《不同氧化物掺杂改性钛酸锶钡(BST)铁电移相器材料》中，介质常数小于90，介质损耗约为0.0007。而在贾保祥的《锑代替铋对铋锌铌陶瓷介电性能的影响》报道，该陶瓷作为中介电常数的微波介电陶瓷，介电常数范围为20～200，介电损耗约为0.001，而实现高速化、高频化等重要性能的PCB基板陶瓷，其损耗也一般为10^-4。损耗过大的材料，用于高频、滤波器等通讯方面，对信号传播的衰减有重要影响，将会满足不了人们对于大数据，大容量的需求。介电损耗越小，信号传播的衰减越小，所以，开发损耗更小的陶瓷材料，在通讯，集成电路基板等具有广大意义。

发明内容

本发明的目的是提供出一种镁掺杂新型钛酸铋钠基无铅介电陶瓷材料及其制备方法，本发明的陶瓷材料是具有高稳定性、高稳定、低介电性能、低损耗的镁掺杂新型钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料，相对于常用NBT(Na_0.5Bi_0.5TiO₃)等无铅压电陶瓷材料具有更低的介电常数和更低的损耗角。

本发明的一种镁掺杂新型钛酸铋钠基钙钛矿无铅介电陶瓷材料，其化学通式为：NaBi(Ti_0.98Mg_0.02)₆O₁₄。用传统固相法经两次预烧，一次烧结而成。

本发明还提出一种镁掺杂新型钛酸铋钠基无铅介电陶瓷材料的制备方法，其方法包括以下步骤：

(1)反应物为Na₂CO₃，TiO₂和Bi₂O₃(纯度为99％)，反应物在干燥器中冷却至室温后按化学通式计量比称重；

(2)粉末在异丙醇中混合并用稳定的氧化锆研磨物进行24小时球磨并干燥。将干燥的粉末在900℃，950℃预烧两次，时间为4小时，每次预烧后，将粉末球磨12小时，再将该粉状体再次重新研磨和成形为粒状；

(3)将上述粒状体用单轴钢模机的压制成圆片生坯片，；并在200MPa压强下冷等静压。然后将样品装入封闭的装有氧化锆的氧化铝坩埚，在1020～1100℃之间烧结4小时，以尽量减少挥发性氧化铋损失；

(4)将陶瓷片一部分研磨至粉末由X射线衍射分析为单相，另一部分煅烧的陶瓷片研磨抛光至0.9mm的厚度进行介电测量。将银浆涂敷到相对的平行面上，涂覆片在800℃火炉中烧制成电极，并在非传导的丝管式炉中通过阻抗分析仪在20℃～700℃下，对高温阻抗谱测量、相对介电常数和损耗角正切参数进行测试，并使用ZView软件进行分析；

(5)使用电镜对陶瓷片的正面结构进行研究。陶瓷片截面进行抛光，在990℃热蚀刻11小时，然后用金涂覆。并在随机10组选定的区域内使用微型探针在20千伏电压下进行电子探针微量分析。

本发明具有以下特点：