一種具有核殼結構的硅酸鹽陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硅酸鹽陶瓷及其制備方法，屬于材料科學技術領域。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)代無線通訊技術對人類社會的發(fā)展起到了極大的推動作用。近年來，隨著信息量的日益增大，對需要傳送的信息容量以及傳輸速度要求越來越高。為解決低頻段的擁擠并擴大頻率資源，無線通信正朝更高頻段的方向發(fā)展;相應的微波技術也向著更高頻率，SP向著毫米波和亞毫米波的方向發(fā)展。
[0003]目前，以高速傳輸數(shù)據(jù)并能傳送圖像與視頻為特征的第四代(4G)移動通信系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應用;在電視接收系統(tǒng)(TVRO，2-5 GHz )、直接廣播系統(tǒng)(DBS，11 -13 GHz)等民用領域，其頻率使用范圍已經(jīng)超過了 10 GHz;特別是在軍事通信領域，由于雷達技術的高速發(fā)展，使得無線通訊的頻率發(fā)展到了X波段(8.2-12.4 GHz)與K波段(12-40 GHz)。無線通信使用頻率的提高，要求作為信息技術基本組成元素的電子元器件具有較高的自諧振中心頻率(fo)。高的自諧振中心頻率對應著低的介電常數(shù)(ε丄低介電常數(shù)能減小材料與電極之間的交互耦合損耗，并提高電信號的傳輸速率;發(fā)展低介電常數(shù)10)材料以滿足高頻和高速的要求，已成為當今電子材料如何適應高頻應用的一個挑戰(zhàn)。
[0004]硅酸鹽系微波介質(zhì)陶瓷也是目前應用最廣的低介電常數(shù)材料之一，如MgO-S12系、ZnO-S12系、CaO-S12系等。Cheng等(J Alloy Comp, 2012，513: 373-377)報道了Mg2S14陶瓷的介電常數(shù)為6-7，但發(fā)現(xiàn)該體系的燒結溫度區(qū)間非常窄。Zou等(Jap J ApplPhy, 2006，45: 4143-4145)研究發(fā)現(xiàn)，ZnO-S12即使在高溫下也很難燒結致密，只有當S12過量時可細化晶粒、阻止晶粒的異常長大，可以獲得介電常數(shù)為6.23，Q Xf為52，500GHz，TfS-55.2ppm/°C的良好介電性能。Wang等(Ceram Int, 2008，34: 1405-1408)發(fā)現(xiàn)，無論是采用傳統(tǒng)的固相法還是溶膠-凝膠法，均無法獲得致密結構的CaS13陶瓷，陶瓷在燒結后存在大量氣孔，從而影響了CaS13陶瓷的微波介電性能。Sun等(Mat Sci Eng B,2007，138: 46-50)通過Mg2+對Ca2+的取代，獲得具有良好微波介電性能的CaMgSi2O6陶瓷；然而，其燒結溫度局限在1290-1310°C之間。
[0005]從上述國內(nèi)外研究結果可知，硅酸鹽系微波介質(zhì)陶瓷具有低的介電常數(shù)和良好的品質(zhì)因數(shù)，但其燒成溫度范圍較窄，從而影響到微波器件產(chǎn)品的一致性。特別是CaS13陶瓷在燒結后即便存在大量氣孔，但仍然具有良好的微波介電性能；因此，拓寬CaS13陶瓷的燒結溫度范圍、提高其燒結致密度，對提高硅酸鹽陶瓷的微波介電性能具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種具有核殼結構的硅酸鹽陶瓷及其制備方法，通過核殼結構使該陶瓷具有較低的燒結溫度、較寬的燒成溫度范圍以及優(yōu)良的微波介電性能。
[0007]本發(fā)明的具有核殼結構的硅酸鹽陶瓷，它的核層為CaS13相、殼層為Ca(MgltyAlxZny)(Sh—x/2A1x/2)206相，其中0.04 < x < 0.12,0 < y < 0.2，殼層物質(zhì)與核層物質(zhì)的摩爾比為0.0Ol?0.1:1。
[0008]本發(fā)明的具有核殼結構硅酸鹽陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
(1)稱取相同摩爾數(shù)的CaCO3和S12放入球磨罐中，然后以無水乙醇為介質(zhì)、氧化鋯球為磨介，球磨混合6?24小時；
(2)將上述經(jīng)過球磨混合的物質(zhì)放入烘箱中干燥，除去無水乙醇，然后放入高鋁坩禍中，在1100?1200 °C的溫度下煅燒2?4小時，冷卻后獲得主晶相為CaS13的陶瓷粉體；
(3)按殼層組成物中各元素的比例，將硝酸鈣、硝酸鎂、硝酸鋁、硝酸鋅以及硅溶膠同時溶解在去離子水中，使混合物在去離子水中的濃度為0.01?0.8 mol/1，攪拌混合均勻；
(4)將步驟(2)制得的陶瓷粉體與步驟(3)制得的溶液進行混合，然后放入球磨罐中，以氧化鋯球為磨介，球磨混合4?8小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水；
(5)將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在30?40MPa的壓力下成型，然后升溫到900?1100 °C保溫4?6小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在150?300 MPa下進行等靜壓；
(6)將等靜壓后的產(chǎn)物放在爐中，在1250?1300°C保溫2?4小時，得到具有核殼結構的硅酸鹽陶瓷。
[0009]本發(fā)明具有以下有益效果:以硅酸鈣為核心、通過將鎂、鋁和鋅元素固溶入硅酸鈣晶體結構中形成殼層，從而獲得以0&5103為核工&(1%31，211)(5131)206為殼的核殼結構；由于0&(1^31，211)(5131)206具有較低的燒結溫度和較寬的燒成溫度范圍，從而可在保證硅酸鈣陶瓷良好介電性能的基礎上，獲得優(yōu)異的燒結性能。
【具體實施方式】
[0010]下面結合實例對本發(fā)明作進一步描述。
[0011]實施例l-CaS1r0.lCaWg0.sAl0.1Zn0.1KS1iAl0.0AOKxs0.Uy=。.！)
稱取1.0 mol的CaC03和1.0 mol的Si02放入球磨罐中，然后以無水乙醇為介質(zhì)、氧化錯球為磨介，球磨混合12小時;將上述經(jīng)過球磨混合的物質(zhì)放入烘箱中干燥，除去無水乙醇，然后放入高鋁坩禍中，在1150 °C煅燒2小時，冷卻后獲得主晶相為CaS13的陶瓷粉體。
[0012]稱取0.1 mol的硝酸鈣、0.08 mol的硝酸鎂、0.01 mol硝酸鋁、0.01 mol硝酸鋅以及0.19 mol的硅溶膠同時溶解在去離子水中，使混合溶液在去離子水中的濃度為0.8 mol/I，攪拌混合均勻。將合成的CaS13陶瓷粉體放入上述混合溶液中，并置于球磨罐中，以氧化鋯球為磨介，球磨混合6小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水。將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在30 MPa的壓力下成型，然后升溫到1000 °C保溫4小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在200 MPa下進行等靜壓，然后放在高溫爐中，升溫至1250 °C保溫2小時，獲得具有核殼結構的硅酸鹽陶