溶膠凝膠技術(shù)制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于電子信息材料與元器件的，特別涉及一種制備鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微波(Microwave)是指波長(zhǎng)在Im到1mm，即頻率從300MHz到300GHz之間的電磁波。微波介質(zhì)陶瓷(MWDC)是近年來(lái)國(guó)際上對(duì)電介質(zhì)材料研宄的一個(gè)新動(dòng)向，這主要是為了適應(yīng)微波移動(dòng)通訊的發(fā)展需求。20世紀(jì)后期，信息處理技術(shù)與電子信息數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合將通訊系統(tǒng)推上了一個(gè)前所未有的新高峰。通信的終極目標(biāo)是要做到全時(shí)空的信息傳遞與交換，從而使通訊機(jī)的高度可移動(dòng)性成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。
[0003]微波通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)基板材料和電子封裝陶瓷提出了更高的要求:很高的Q.f值和較低的介電常數(shù)。因此，許多高Q值材料得到了深入的研宄和開(kāi)發(fā)，其中，剛玉結(jié)構(gòu)的Al2O3陶瓷具有非常高的Q.f = 120000GHz和相對(duì)較低的介電常數(shù)。由于α -Al 203陶瓷具有良好導(dǎo)熱性能和優(yōu)異的微波介電性能，已被深入地進(jìn)行了研宄，并得到了廣泛的應(yīng)用。然而，氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度一般在1600-1800°C之間，而且通過(guò)多相復(fù)合的方法不能改善其較大的負(fù)諧振頻率溫度系數(shù)，這些都限制了 a -Al2O3陶瓷作為低溫?zé)Y(jié)基板材料的進(jìn)一步發(fā)展。因此，研制開(kāi)發(fā)新一代具有高Q值、低介電常數(shù)的微波介質(zhì)已成為微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。
[0004]自60年代Mg4Nb2O9陶瓷被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已得到了許多研宄。近期的研宄還發(fā)現(xiàn)Mg4Nb2O9化合物具有與α -Al 203相似的剛玉型晶體結(jié)構(gòu)，空間群為P3cl (第165號(hào))，晶格參數(shù)為a = 5.1612和b = 14.028埃。晶體結(jié)構(gòu)決定了它具有優(yōu)異的微波介電性能，在1400°C燒結(jié)的Mg4Nb2O9陶瓷，Q.f值可以達(dá)到200000GHz，而介電常數(shù)與α -Al 203陶瓷幾乎接近。因此，Mg4Nb2O9陶瓷可望成為取代氧化鋁陶瓷的新一代高Q值基板陶瓷。
[0005]但是現(xiàn)有資料研宄表明目前關(guān)于MgO-Nb2O5系統(tǒng)材料體系的制備技術(shù)整體上以固相合成為主，體系合成溫度過(guò)高(合成溫度在1000°c以上)，所合成的陶瓷粉料粒度處于微米級(jí)別，不利于后期微波陶瓷的燒結(jié)?；谏鲜霈F(xiàn)狀，本發(fā)明利用溶膠凝膠技術(shù)，通過(guò)液相法率先制備Mg4Nb2O9陶瓷納米級(jí)別粉體，為燒結(jié)該體系微波陶瓷提供優(yōu)質(zhì)納米粉料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服MgO-Nb2O5系統(tǒng)固相合成鈮酸鎂粉體溫度偏高、合成粉體粒度較大的缺點(diǎn)，利用溶膠凝膠技術(shù)，制備納米級(jí)別的Mg4Nb2O9陶瓷粉體。該技術(shù)合成的微波陶瓷粉體顆粒細(xì)小、均勻，合成溫度低，可為燒結(jié)性能良好的鈮酸鎂微波陶瓷提供優(yōu)質(zhì)的前期粉體。
[0007]本發(fā)明的溶膠凝膠法制備鈮酸鎂微波陶瓷粉體的制備方法，具有以下步驟:
[0008](I)配制鈮的檸檬酸水溶液
[0009](a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)取五氧化二鈮，按照五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為1: 5?1: 10配料，將兩者混合均勻，裝入高鋁坩禍內(nèi)，于700?1000°C煅燒，得到鈮酸鉀；稱(chēng)取檸檬酸，加入500ml去離子水中，制成檸檬酸水溶液；
[0010](b)將步驟(I) (a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水，加入硝酸，調(diào)整其pH值為3?5，確保全部生成鈮酸沉淀；
[0011](C)離心分離、洗滌步驟⑴(b)的鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到步驟⑴(a)的檸檬酸水溶液中，并于水浴加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為2: I?6: I ；
[0012](2)配制鎂的檸檬酸水溶液
[0013](a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)取六水硝酸鎂，溶解于10ml去離子水中；
[0014](b)向步驟(2) (a)的溶液中加入檸檬酸，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為5: I?10: 1，并溶解充分，調(diào)整其pH值為3?5 ;
[0015](c)水浴加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的檸檬酸水溶液；
[0016](3)Mg-Nb前驅(qū)體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得
[0017](a)將上述步驟(I)、(2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后加入乙二醇作為酯化劑，乙二醇加入的摩爾量為檸檬酸的4-6倍；通過(guò)水浴加熱、不斷攪拌，保證均勻，獲得Mg-Nb前驅(qū)體溶液；
[0018](b)將步驟(3) (a)制備的Mg-Nb前驅(qū)體溶液置于烘箱內(nèi)烘干，形成干凝膠；
[0019](c)將步驟(3) (b)的干凝膠置于高溫爐中煅燒處理，獲得顆粒均勻的納米級(jí)鈮酸鎂粉體。
[0020]所述步驟(I) (a)的熔融時(shí)間是2?6小時(shí)。
[0021]所述步驟(I) (C)和(2) (C)的水浴溫度為45。。?80。。。
[0022]所述步驟(3) (b)的烘干溫度為100°C。
[0023]所述步驟(3) (C)的煅燒處理溫度為550°C?850°C。
[0024]所述步驟(3) (C)制得的鈮酸鎂納米粉體的平均粒徑為40?80nm。
[0025]本發(fā)明的有益效果是，利用溶膠凝膠技術(shù)在較低溫度下制備出的納米級(jí)Mg4Nb2O9陶瓷粉體。該技術(shù)合成的微波陶瓷粉體顆粒細(xì)小、均勻，具有納米級(jí)別的尺度，具有良好的燒結(jié)特性，粉體純度高，沒(méi)有任何雜質(zhì)，可作為后期陶瓷燒結(jié)的優(yōu)質(zhì)粉體。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，本發(fā)明所用原料均采用市售的化學(xué)純?cè)稀?br>[0027]實(shí)施例1
[0028](I)配制鈮的檸檬酸水溶液
[0029](a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，分別稱(chēng)取五氧化二鈮粉體5.326克、檸檬酸19.2克，以及助溶劑碳酸鉀14.293克，其中，五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為1: 10 ;將檸檬酸加入500ml去離子水中，形成檸檬酸水溶液；將五氧化二鈮粉末與碳酸鉀粉末混合均勻，裝入高鋁坩鍋內(nèi)，在800度煅燒4h，得到鈮酸鉀；
[0030](b)將步驟(a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水中，加入硝酸，調(diào)整其pH值為4，確保全部生成鈮酸沉淀；
[0031](c)離心分離、洗滌上述鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到檸檬酸水溶液中，并于水浴80°C加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為5:1;
[0032](2)配制鎂的檸檬酸水溶液
[0033](a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)量六水硝酸鎂20.513克，溶解于10ml去離子水中；
[0034](b)然后稱(chēng)量檸檬酸20克，并加入到將上述溶液，保證檸檬酸與六水硝酸鎂的摩爾比為5:1，保證溶解充分，調(diào)整其pH值為4 ；
[0035](c)水浴80°C加熱，不斷攪拌，保證形成鎂的檸檬酸水溶液。
[0036](3)Mg-Nb前驅(qū)體溶液、干凝膠以及納米粉體的獲得
[0037](a)將上述(I)、(2)制備的鈮的檸檬酸水溶液、鎂的檸檬酸水溶液混合均勻，然后加入乙二醇作為酯化劑，乙二醇加入的摩爾量為檸檬酸的5倍；通過(guò)水浴80°C加熱、不斷攪拌，保證均勻，獲得Mg-Nb前驅(qū)體溶液；
[0038](b)將制備的Mg-Nb前驅(qū)體溶液置于烘箱100°C進(jìn)行烘干，形成干凝膠；
[0039](c)采用箱式電阻爐550°C氧氣氣氛下將干凝膠進(jìn)行煅燒處理；通過(guò)進(jìn)一步研磨，可得均勻、顆粒細(xì)小的納米級(jí)鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)粉體。
[0040]采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(JEOL JSM-7600F，Japan)測(cè)試該納米粉體顆粒的平均粒徑分布為40_50nm。
[0041]實(shí)施例2
[0042](I)配制鈮的檸檬酸水溶液
[0043](a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，分別稱(chēng)取五氧化二鈮粉體5.326克、檸檬酸19.2克，以及助溶劑碳酸鉀14.293克，其中，五氧化二鈮與碳酸鉀的摩爾比為1: 10 ;將檸檬酸加入500ml去離子水中，形成檸檬酸水溶液；將五氧化二鈮粉末與碳酸鉀粉末混合均勻，裝入高鋁坩鍋內(nèi)，在800度煅燒4h，得到鈮酸鉀；
[0044](b)將步驟(a)的鈮酸鉀溶解于500ml去離子水中，加入硝酸，調(diào)整其pH值為4，確保全部生成鈮酸沉淀；
[0045](C)離心分離、洗滌上述鈮酸沉淀，然后將該鈮酸加入到檸檬酸水溶液中，并于水浴80°C加熱，使鈮酸完全溶解，形成鈮的檸檬酸水溶液，其中，檸檬酸與鈮離子的摩爾比為5:1;
[0046](2)配制鎂的檸檬酸水溶液
[0047](a)根據(jù)鈮酸鎂(Mg4Nb2O9)微波陶瓷粉體的化學(xué)計(jì)量比，稱(chēng)量六水硝酸鎂20.51