一種CaTiO₃-CaTiSiO₅的雷射合成方法

2023-05-17 10:23:46 1

專利名稱：一種CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法
技術領域：
本發明屬於高頻介電陶瓷材料的製備技術領域，特別涉及一種CaTiO3-CaTiSiO5 的雷射合成方法。
背景技術：
近年來隨著通訊技術的迅猛發展，對以高頻介質陶瓷為基礎的電子元件提出了 更高的要求。為了滿足電子設備不斷對小型化、輕型化、集成化及高可靠性等的要求， 用不同的方法製備具有高介電常數、低介電損耗和低介電溫度係數的高頻介電陶瓷已 經成為當今研究的熱點。CaTiO3-CaTiSiO5是一種優良的高頻介電陶瓷，它是由單斜型 CaTiSiO5 (ε 40，tg δ 5Χ1(Γ4，α。 12 X 1(Γ4/ °C )和正交型 CaTiO3 ( ε 150， tg5 2. 5X10—4，α。 -18ΧΙΟ—4/°C)兩相組成，當Ti Si為1 0. 5時材料具有較 高的介電常數(ε =82)、低的介電損耗(tgS =4X10_4)和較低的介電溫度係數(α c = 0. 25X10_4/°C )，能夠廣泛應用於製作多層陶瓷電容器(MLCC)、多層基片、自動溫控發熱元 件、發光器件和 DRAM 器件等。Chen Qiao (Chen Qiao, Lin Xuping, Deng Changsheng and Yue Zhenxing. KeyEngineering Materials Vols. 368—372 (2008) pp748_750)、黃雯雯等人 (黃雯雯，凌志遠，歐瑞江，何新華，張慶秋.低溫燒結0. 5CaTi03-0. 5CaTiSi05高頻介質陶 瓷·電子元件與材料，2003年6月，22 (6))通過添加2Zn0_B203玻璃實現CaTiO3-CaTiSiO5 高頻介電材料的低溫燒結並改善其介電性能，但是純度不高，工藝複雜而且耗能。

發明內容
本發明的目的在於提供一種CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，以克服目前方法 製得的CaTiO3-CaTiSiO5純度不高、工藝複雜、能耗大的缺陷。本發明採用的技術方案如下一種CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，以CaC03、TiO2和SiO2粉末為原料，充分 混合、研磨、壓坯，採用功率可在5KW內調節的CO2氣體雷射器照射坯體使原料充分反應， 之後冷卻凝固成瓷，即得到CaTiO3-CaTiSiO5 ；所述原料CaCO3> TiO2和SiO2的摩爾比為 1 1 0. 5。採用的原料以分析純或以上純度為佳。照射時間根據氣體雷射器的功率、離焦量的不同會有相應的變化。氣體雷射器的 功率主要在600-1300W間變化，離焦量為80-1200mm，照射時間為100_200s。具體的，氣體雷射器的功率為600-800W，離焦量為90_，照射時間為180_200s。氣體雷射器的功率為800-1300W且不為800w，離焦量為80_120mm優選90mm，照射 時間為100-180s。進一步，氣體雷射器的功率為800-1000W且不為800w，照射的時間為160_180s。氣 體雷射器的功率為1100-1200W，照射時間為130-150S。照射時坯體的兩個面依次進行。
隨著功率的增大、離焦量的縮小，照射時間可以相應縮短，同時獲得產品的純度趨 於增高。照射完畢後，直接關閉雷射，試樣自然冷卻凝固成瓷。上述混合、研磨、壓坯的製備技術為常規的陶瓷坯體製備技術。如研磨可如下進行在瑪瑙研缽中研磨3_8h，110-130°C乾燥後再研磨3_8h ；研磨 的時間根據原料的量進行調整，量多時研磨時間也相應延長；以IOg原料為準，研磨時間以 6-8h較好。壓坯的操作為將充分混合的粉末在6-lOMPa壓力下保壓50-60s。優選在8MPa壓 力下壓坯，保壓60s。坯體直徑14mm，厚度2_4mm。該技術方案的原理是，在雷射產生的高溫熔池中，使充分混合的原材料CaC03、Ti02 和SiO2粉末發生以下化學反應2CaC03+2Ti02+Si02 = CaTi03+CaTiSi05+2C02在雷射輻照產生的高溫熔池中，CaC03、TiO2和SiO2粉末熔融，並且由於雷射熔池 的對流和傳質作用，CaC03、TiO2和SiO2能夠充分混合均勻，在持續時間長達80-200S的時 間內，上述反應能夠充分進行，因此可得到純度較高的CaTi03-CaTiSi05。本發明方法的原材料為CaC03、Ti02和SiO2,成本低；採用大功率CO2雷射直接照射 坯料，使其迅速熔融並快速冷卻凝固生成CaTiO3-CaTiSiO5,省去了固相燒結方法中必不可 少的預燒環節，將燒結時間由12h左右大幅縮短到約140s，降低了能耗、成本，同時樣品也 不受汙染；製備的CaTiO3-CaTiSiO5結構緻密，介電常數值較傳統方法有顯著的提高，由原 來的82提高到160，工藝重複性強。本發明相對於現有技術，有以下優點本發明工藝簡單、成本低、耗時短、能耗低，獲得的樣品純度高、結構緻密、介電常 數較高，工藝重複性強。


圖1為實施例1合成的CaTiO3-CaTiSiO5的粉末XRD2為實施例2合成的CaTiO3-CaTiSiO5的粉末XRD3為實施例3合成的CaTiO3-CaTiSiO5的粉末XRD4為實施例3合成的CaTiO3-CaTiSiO5的塊體XRD5為實施例4合成的CaTiO3-CaTiSiO5的粉末XRD6為實施例3合成的CaTiO3-CaTiSiO5的斷面放大300倍的SEM照片；圖7為實施例3合成的CaTiO3-CaTiSiO5的斷面放大500倍的SEM照片。
具體實施例方式以下以具體實施例來說明本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不限於此實施例1以下實施例中所用CaC03、TiO2和SiO2粉末的純度皆為99. 0%。將CaCO3^TiO2和SiO2粉末按1 1 0. 5摩爾比混合，總量為IOg,在瑪瑙研缽中 研磨8h，120°C乾燥2h後再於瑪瑙研缽中研磨8h。將充分混合的粉末在SMpa壓力下壓坯，
4保壓60s。坯體直徑14mm，厚度3mm。將坯體置於樣品臺上，用雷射功率為800W，離焦量90mm的CO2雷射束直接照射坯 體，照射時間為190s。將製備的樣品以粉末狀進行X射線衍射(XRD)、密度和介電常數等測 試，測試結果見圖1及表1。圖1的XRD結果顯示合成了高純的CaTiO3-CaTiSiO5相。實施例2與實施例1的不同之處在於雷射功率為1000W，照射時間為170s。將製備樣品進 行加工處理，將製備的樣品以粉末狀進行X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、密度和 介電常數等測試，測試結果見圖2及表1。實施例3與實施例1的不同之處在於雷射功率為1200W，照射時間為140s。將製備樣品進 行加工處理，將製備的樣品分別以塊狀、粉末狀分別進行X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微 鏡(SEM)、密度和介電常數等測試，測試結果見圖3、4、6、7及表1。其中圖3是粉末的XRD圖，表明本發明能夠製得高純度的CaTiO3-CaTiSiO5高頻陶 瓷，圖4是塊狀的XRD圖，說明雷射燒結有很強取向生長。圖6是斷面放大300倍的SEM照 片，表明所製備的CaTiO3-CaTiSiO5的微觀組織比較緻密，沒有氣孔存在；圖7是斷面放大 500倍的SEM照片，能夠清晰地看到晶粒較大，呈枝晶狀結構生長，且有定向生長的特徵。密 度測量值為3. 64g/cm3，高達理論密度值(3. 72g/cm3)的97. 84%。在IMHz下，測量其介電 常數ε為160，與傳統方法製備的樣品相比，提高1.9倍左右。實施例4與實施例1的不同之處在於雷射功率為1300W，照射時間為100s。將製備樣品加 工處理，將製備的樣品以粉末狀進行X射線衍射(XRD)、進行密度和介電性能測試，測試結 果見圖5及表1。圖4的XRD結果顯示形成了純的CaTiO3-CaTiSiO5相。表1為實施例1-4中不同工藝參數所合成樣品的性能測試結果。表 1 本實驗介電性能的測試儀器為Agilent 4294A精密阻抗分析儀。
權利要求
一種CaTiO3 CaTiSiO5的雷射合成方法，其特徵在於，以CaCO3、TiO2和SiO2粉末為原料，充分混合、研磨、壓坯，採用功率可在5KW以內變化的CO2氣體雷射器照射坯體使原料充分反應，之後冷卻凝固成瓷，即得到CaTiO3 CaTiSiO5；所述原料CaCO3、TiO2和SiO2的摩爾比為1∶1∶0.5。
2.如權利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，其特徵在於，氣體雷射器的 功率為600-800W，離焦量為90mm，照射時間為180_200s。
3.如權利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，其特徵在於，氣體雷射器的 功率為800-1300W且不為800w，離焦量為80_120mm，照射時間為100_180s。
4.如權利要求3所述的CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，其特徵在於，氣體雷射器的 功率為800-1000W且不為800w，照射的時間為160_180s。
5.如權利要求3所述的CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，其特徵在於，氣體雷射器的 功率為1100-1200W，照射時間為130-150s。
6.如權利要求3-5之一所述的CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，其特徵在於，離焦量 為 90mm。
7.如權利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，其特徵在於，研磨操作如下 在瑪瑙研缽中研磨3-8h，110-130°C乾燥後再研磨3-8h。
8.如權利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，其特徵在於，壓坯的操作為 將充分混合的粉末在6-lOMPa壓力下保壓50-60s。
9.如權利要求1所述的CaTiO3-CaTiSiO5的雷射合成方法，其特徵在於，坯體直徑為 14mm,厚度 2-4mm。
全文摘要
本發明屬於高頻介質陶瓷材料的製備技術領域，特別涉及一種CaTiO3-CaTiSiO5的雷射快速合成方法。以分析純CaCO3、TiO2和SiO2粉末為原料，充分混合、研磨、壓坯，之後用600-1300W的CO2雷射束照射使物料反應，然後冷卻凝固成瓷，製得CaTiO3-CaTiSiO5；所述CaCO3、TiO2和SiO2的物質的摩爾比為1∶1∶0.5。本發明工藝簡單、純度高、成本低、能耗低，獲得的樣品密度大、介電常數高，工藝重複性好。
文檔編號C04B35/465GK101928138SQ20101026922
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月1日 優先權日2010年9月1日
發明者張俊吉, 晁明舉, 李明玉, 梁二軍, 田得雨 申請人:鄭州大學