專(zhuān)利名稱(chēng)：利用放電等離子體燒結(jié)高介電CaCu<sub>3</sub>Ti<sub>4</sub>O<sub>12</sub>陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高介電CaCu3Ti4012陶瓷的燒結(jié)方法。
背景介紹 CaCu3Ti4012(CCT0)是一種目前研究比較熱門(mén)的高介電電子材料，其室溫低頻段的 相對(duì)介電常數(shù)高達(dá)104 105，且介電性能在較寬的溫度范圍內(nèi)(100-300K)比較穩(wěn)定，因此， CCTO材料在微電子方面具有較好的應(yīng)用前景。 CCTO陶瓷的傳統(tǒng)燒結(jié)方法是用普通壓片機(jī)在一定壓力下( 一般高達(dá)幾十甚至幾 百兆帕斯卡)將CCTO粉末壓制成片后在馬弗爐中高溫?zé)Y(jié)。為了獲得較為致密的陶瓷，需 要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間(一般要幾十小時(shí))。因此，能耗較大。 放電等離子體燒結(jié)(SPS)是一種可以通過(guò)短時(shí)間燒結(jié)即可獲得較致密片狀材料 的燒結(jié)方法，它在制備各種合金和陶瓷材料中已有廣泛應(yīng)用。但由于CCTO的特殊性能，目 前SPS燒結(jié)還沒(méi)有在CCTO陶瓷的生產(chǎn)上使用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是根據(jù)CCTO的特殊性能提供一種能夠利用SPS燒結(jié)CCTO陶瓷的 方法，既能相對(duì)現(xiàn)有方法大大減少高溫?zé)Y(jié)時(shí)間以有效降低能耗，又能保有或增加CCTO的 高介電性能。 本發(fā)明的技術(shù)方案由以下步驟組成 1.將純CaCu3Ti4012粉末裝入模具并將該模具放入放電等離子體燒結(jié)腔里的上下 電極間； 2.關(guān)閉燒結(jié)腔，開(kāi)啟真空泵，對(duì)燒結(jié)腔抽真空； 3.對(duì)燒結(jié)腔升溫加壓，待升溫至800-980攝氏度時(shí)加壓強(qiáng)至20-70兆帕，保溫
5-60分鐘，而后隨爐冷卻并隨溫減壓，關(guān)真空泵； 4.等溫度降到IO(TC以下時(shí)，將產(chǎn)品從燒結(jié)腔里取出。 上述純CaCu3Ti4012粉末可用溶膠_凝膠法制得。 在上述升溫加壓過(guò)程中，壓強(qiáng)大小應(yīng)隨溫度升高而逐步加大，在低溫時(shí)應(yīng)只加少 許壓力。而在上述隨爐冷卻過(guò)程中可將壓力減至最小。 如果上述模具為石墨模具，則利用上述技術(shù)方案所得陶瓷的表面會(huì)出現(xiàn)一定厚度 的滲碳層，為了除去滲入的碳需要將燒結(jié)好的樣品再在馬弗爐中進(jìn)行500-900°C ，保溫2小 時(shí)以上的退火處理，而后再將退火后所得陶瓷表面由于滲碳而分解的部分打磨掉并拋光。
根據(jù)本發(fā)明燒結(jié)的CCTO陶瓷，其燒結(jié)的產(chǎn)品的XRD結(jié)果顯示樣品為純相，使用SEM 可以觀察到其形貌比較致密，介電性能測(cè)量顯示樣品在室溫下具有較高的相對(duì)介電常數(shù)和 較低的損耗。
附圖1為本發(fā)明燒結(jié)的CCTO的斷面掃描電鏡形貌3
附圖2為本發(fā)明不同燒結(jié)溫度的CCT0的介電性能。其中圖2-1為相對(duì)介電常數(shù) 比較圖，圖2-2為損耗比較圖； 附圖3為本發(fā)明不同燒結(jié)保溫時(shí)間的CCTO的介電性能。其中圖3-1為相對(duì)介電 常數(shù)比較圖，圖3-2為損耗比較圖； 附圖4為本發(fā)明不同燒結(jié)壓力的CCTO的介電性能。其中圖4-1為相對(duì)介電常數(shù) 比較圖，圖4-2為損耗比較圖； 附圖5為本發(fā)明不同退火溫度的CCTO的介電性能。其中圖5-1為相對(duì)介電常數(shù) 比較圖，圖5-2為損耗比較圖； 附圖6為本發(fā)明退火保溫時(shí)間為2小時(shí)和10小時(shí)的CCTO的介電性能。其中圖 6-1為相對(duì)介電常數(shù)比較圖，圖6-2為損耗比較圖； 附圖7為放電等離子燒結(jié)和普通燒結(jié)的介電性能。其中圖7-1為相對(duì)介電常數(shù)比 較圖，圖7-2為損耗比較圖； 上述附圖中F-頻率；e ' _相對(duì)介電常數(shù)；tan S -損耗。
具體實(shí)施例方式下面以石墨模具為例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的介紹
實(shí)施例一 制備條件為燒結(jié)保溫時(shí)間為5分鐘，燒結(jié)溫度為980攝氏度，燒結(jié)壓力為51兆
帕，退火溫度為600攝氏度，退火保溫時(shí)間為2小時(shí)。 從附圖1可知，經(jīng)短時(shí)間燒結(jié)后，所得到的樣品非常致密。 實(shí)施例二 ； 制備條件為燒結(jié)保溫時(shí)間為5分鐘，燒結(jié)壓強(qiáng)為51兆帕，退火溫度為600攝氏 度，退火保溫時(shí)間為10小時(shí)，但燒結(jié)溫度卻是一個(gè)為800攝氏度另一個(gè)為980攝氏度。
從附圖2-1和附圖2-2可知相應(yīng)陶瓷在lOOOOHz下的相對(duì)介電常數(shù)前者為 3.0Xl()3，后者為7.0乂103，在這一頻率下的損耗前者為0. 12，后者為0. 12 ;
實(shí)施例三 制備條件為燒結(jié)溫度為980攝氏度，燒結(jié)壓強(qiáng)為51兆帕，退火溫度為600攝氏
度，退火保溫時(shí)間為10小時(shí)，但燒結(jié)保溫時(shí)間一個(gè)為5分鐘另一個(gè)為60分鐘。 從附圖3-1和附圖3-2可知相應(yīng)陶瓷在10000Hz下的相對(duì)介電常數(shù)前者為
7.0Xl()3，后者為2.0乂104，在這一頻率下的損耗前者為0. IO，后者為0. 18 ; 實(shí)施例四 制備條件為燒結(jié)溫度為980攝氏度，燒結(jié)保溫時(shí)間為5分鐘，退火溫度為600攝
氏度，退火保溫時(shí)間為10小時(shí)，但燒結(jié)壓強(qiáng)一個(gè)為20兆帕；另一個(gè)為70兆帕。 從附圖4-1和附圖4-2可知相應(yīng)陶瓷在10000Hz下的相對(duì)介電常數(shù)前者為
8.0X10 后者為8.0乂103，在這一頻率下的損耗前者為:0. 09，后者為0. 09 ; 實(shí)施例五 制備條件為燒結(jié)溫度為980攝氏度，燒結(jié)保溫時(shí)間為5分鐘，燒結(jié)壓強(qiáng)為51兆
帕，退火保溫時(shí)間為10小時(shí)，但退火溫度一個(gè)為500攝氏度另一個(gè)為900攝氏度。 從附圖5-1和附圖5-2可知相應(yīng)陶瓷在10000Hz下的相對(duì)介電常數(shù)前者為7.0Xl()2，后者為7.0乂104，在這一頻率下的損耗前者為0. 50，后者為0. 27 ;
實(shí)施例六 制備條件為燒結(jié)溫度為980攝氏度，燒結(jié)保溫時(shí)間為5分鐘，燒結(jié)壓強(qiáng)為51兆 帕，退火溫度為600攝氏度，退火保溫時(shí)間為2小時(shí)和10小時(shí)。 從附圖6-1和附圖6-2可知相應(yīng)陶瓷在10000Hz下前者的相對(duì)介電常數(shù)為 7X1()2，后者為2乂104，在這一頻率下前者的損耗為0. 07，后者為0. 16。
實(shí)施例七 放電等離子燒結(jié)的制備條件為燒結(jié)溫度為98(TC，燒結(jié)保溫時(shí)間為5分鐘，燒結(jié) 壓力為51兆帕，退火溫度為60(TC，退火保溫時(shí)間為2小時(shí)，普通燒結(jié)制備條件為燒結(jié)溫 度為1035t:保溫3小時(shí)。前一種燒結(jié)方式的耗電量約12Kw.h，后一種燒結(jié)方式的耗電量 約為58Kw. h. 從附圖7-1和附圖7-2可知相應(yīng)陶瓷在10000Hz下的相對(duì)介電常數(shù)前者為 7.0X10 后者為7.0Xl(f，在這一頻率下的損耗前者為0.07后者為0.04.因此用放電等 離子燒結(jié)出來(lái)的樣品和普通燒結(jié)所得的樣品相比，損耗比較接近，但相對(duì)介電常數(shù)卻比普 通燒結(jié)出來(lái)的樣品大10倍，且耗電量為普通燒結(jié)耗電量的五分之一。
權(quán)利要求
利用放電等離子體燒結(jié)高介電CaCu3Ti4O12陶瓷的方法，其特征在于所述的方法由下述步驟所組成1)將純CaCu3Ti4O12粉末裝入模具并將該模具放入放電等離子體燒結(jié)腔里的上下電極間；2)關(guān)閉燒結(jié)腔，開(kāi)啟真空泵，對(duì)燒結(jié)腔抽真空；3)對(duì)燒結(jié)腔升溫加壓，待升溫至800-980攝氏度時(shí)加壓強(qiáng)至20-70兆帕，保溫5-60分鐘，而后隨爐冷卻并隨溫減壓，關(guān)真空泵；4)等溫度降到100℃以下時(shí)，將產(chǎn)品從燒結(jié)腔里取出。
2. 如權(quán)利要求1所述的利用放電等離子體燒結(jié)高介電CaCu3Ti4012陶瓷的方法，其特征 在于所述的純CaCu3Ti4012粉末是利用溶膠_凝膠法制得的。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的利用放電等離子體燒結(jié)高介電CaCu3Ti4012陶瓷的方法，其 特征在于在所述的升溫加壓過(guò)程中，壓強(qiáng)大小應(yīng)隨溫度升高而逐步加大，在低溫時(shí)應(yīng)只加 少許壓力；而在上述隨爐冷卻過(guò)程中則應(yīng)將壓力減至最小。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的利用放電等離子體燒結(jié)高介電CaCu3Ti4012陶瓷的方法，其 特征在于當(dāng)所述的模具為石墨模具時(shí)，將燒結(jié)好的產(chǎn)品再在馬弗爐中進(jìn)行500-90(TC，保 溫2小時(shí)以上的退火處理，而后再將退火后所得產(chǎn)品表面由于滲碳而分解的部分打磨掉并 拋光。
5. 如權(quán)利要求3所述的利用放電等離子體燒結(jié)高介電CaCu3Ti4012陶瓷的方法，其特征 在于當(dāng)所述的模具為石墨模具時(shí)，將燒結(jié)好的產(chǎn)品再在馬弗爐中進(jìn)行500-90(TC ，保溫2 小時(shí)以上退火處理，而后再將退火后所得產(chǎn)品表面由于滲碳而分解的部分打磨掉并拋光。
全文摘要
一種利用放電等離子體燒結(jié)(SPS)高介電陶瓷CaCu3Ti4O12(簡(jiǎn)稱(chēng)CCTO)的方法。將純CCTO粉末裝入模具內(nèi)再將該模具放入SPS燒結(jié)腔里的上下電極間；關(guān)閉燒結(jié)腔并將其抽真空，升溫，加壓，保溫；再隨爐冷卻，減壓并關(guān)真空泵；等溫度降至一定程度后，將產(chǎn)品從燒結(jié)腔里取出。其燒結(jié)的產(chǎn)品的XRD結(jié)果顯示樣品為純相，使用SEM可以觀察到其形貌比較致密，介電性能測(cè)量顯示樣品在室溫下具有較高的相對(duì)介電常數(shù)和較低的損耗。
文檔編號(hào)C04B35/45GK101792320SQ20101012538
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者張悅, 楊芝, 熊銳, 王文波, 石兢, 阮學(xué)鋒 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)