一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法

1.本发明属于陶瓷介质制备工艺技术领域，涉及一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法。


背景技术：

2.当前微电子技术迅速发展，以5g、6g技术为代表的新一代移动通讯技术，具有智慧、安全、多域融合、算网一体的特点，助力社会走向智能化时代。目前，尽管5g技术及相关产业仅在少数国家推广，离全球范围的普及还需时日，但很多国家、研发部门和厂商已经开始抢跑布局，将目光不约而同地投向了6g技术预研领域。2020年，我国《6g无线热点技术研究白皮书》提到，6g将完成“海量物联”和“万物智联”，在陆地、海洋和天空中搭建大量的互联终端设备。而天线作为空间一体化无线通信系统中的核心电子器件，在复杂的物理环境条件下承担电磁能量转换的重要任务。介质基板作为承载天线的“地基”，其温度稳定性将直接影响天线的工作性能，需要研发能克服全覆盖网络建设所伴随的物理环境差异性，改善使用者的网络体验至关重要。
3.钽酸铜(cu2ta4o
12
)是典型的钽酸盐化合物，具有伪立方钙钛矿结构，属空间群pm-3。该材料介电系数异常高(高达105)，并且在较宽的频率和温度范围内几乎恒定，可作为介质基板的潜在材料。目前，国内外陆续报道了一些关于cu2ta4o
12
体系陶瓷制备及介电性能的研究工作，如波兰的d.szwagierczak等人在journal of the european ceramic society(《欧洲陶瓷学会杂志》)2008年第xx卷上发表的题为“sintering and dielectric properties of cu2ta4o
12 ceramics”(“cu2ta4o
12
陶瓷的烧结及介电性能”)的文章，介绍了烧结温度在1200℃以上，烧结时间12-25h时，能制备出致密的cu2ta4o
12
陶瓷样品，且高介电系数在150-740℃的低频范围内出现；我国桂林科技大学的k.y.chen等人在ceramics international(《陶瓷国际》)2021年第47卷上发表的题为“enhancement of dielectric response by the interaction of point defect and grain boundary in copper tantalate oxides”(“钽酸铜氧化物中点缺陷与晶界相互作用增强介电响应”)的文章，提出了一种增强cu2ta4o
12
介电响应的热处理方法。结果显示，采用慢炉冷却cu2ta4o
12
(冷却速率2℃/分)，可以在一个较宽的频率(40hz-10
5 hz)和温度区域(300k-470k)中显示出一个巨大的介电系数。
4.如何在简便低耗的工艺条件下制备高性能材料，是目前陶瓷介质研究的目标。归纳目前的研究结果可知，要想通过固相法制备出晶型结构稳定、介电系数高、温度稳定性好的cu2ta4o
12
陶瓷，可以通过长时间高温烧结，亦或缓慢冷却的方式实现，但均会加大设备元件的损耗，延长制备时间，造成大量电能的耗费，增大了生产成本。目前，通过向材料中掺入低浓度的外源离子，引入少量缺陷，既保持了物相组成不发生改变，又能在简便的工艺条件保证材料的性能优异，已成为调控陶瓷介质性能的有效手段。


技术实现要素：

5.为了克服cu2ta4o
12
现有制备技术中电能消耗高、设备损耗大、制备时间长缺点，本发明提供一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法，具有工艺简单、烧结温度低、合成时间短、烧结特性佳等特点。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法，其化学式为：cu
2+x
ta
4-2x
ti
2xo12
，其中0＜x≤0.25。
8.具体步骤实施如下：
9.(1)将cuo、tio2、ta
205
按cu
2+x
ta
4-2x
ti
2xo12
，其中0＜x≤0.5的化学式进行配料；将粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球后，球磨4-10小时；
10.(2)将步骤(1)球磨后的粉料放入干燥箱中，于100-120℃烘干,然后过100目筛；
11.(3)将步骤(2)过筛后的粉料放入马弗炉中，于850-950℃预烧，保温3-6小时；
12.(4)将步骤(3)预烧后的粉料，放入氧化铝研钵里进行研磨，然后过200目筛，外加质量百分比为2.5％的聚乙烯醇溶液混合均匀，再用粉末压片机以20mpa的压力压制成坯体；
13.(5)将步骤(4)的坯体于1050-1080℃烧结，保温3-4小时，之后以3-5℃/min的降温速率降温至600℃，然后自然冷却至室温，制成具有高介电系数的钽酸铜陶瓷材料。
14.所述步骤(1)的粉料、去离子水和氧化锆球的质量比为1:1.5:3。
15.所述步骤(1)的氧化锆球共分为三种直径，分别为8mm、4mm和1mm，质量比为1:2:1。
16.所述步骤(5)的烧结温度为1060℃，保温时间为3小时。
17.所述步骤(5)的降温速率为4.5℃/min。
18.本发明的有益结果在于，提供一种在简便工艺条件下制备的晶型结构稳定、介电系数高、介电损耗小、温度稳定性好的介质基板潜在材料，制得的cu
2+x
ta
4-2x
ti
2xo12
(x＝0.25,0.5)材料的室温中频范围(102hz-10
5 hz)内介电性能远优于相同条件下获得的cu2ta4o
12
，该方法显著降低了烧结温度，缩短了制备时长，节约了时间和能源成本。
附图说明
19.图1为本发明制备的cu
2+x
ta
4-2x
ti
2xo12
(x＝0.25,0.5)材料的xrd图谱；
20.图2为本发明制备的cu
2+x
ta
4-2x
ti
2xo12
(x＝0.25,0.5)材料的常温介电特性；
21.图3为本发明制备的cu
2+x
ta
4-2x
ti
2xo12
(x＝0.25)材料的介温特性。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，并非对本发明保护范围的限制。
23.本发明以分析纯的cuo、tio2、ta
205
为初始原料，通过传统的固相合成法制备了低浓度ti元素掺杂钽酸铜(cu2ta4o
12
)陶瓷。具体实施例如下：
24.实施例1
25.1.将原料按照cuo、tio2、ta
205
按cu
2.125
ta
3.75
ti
0.25o12
的化学计量式称量配料，将约10g混合粉料放入球磨罐中，加入15g去离子水和30g氧化锆球后，球磨6小时；
26.2.将球磨后的粉料放入干燥箱中，于110℃烘干,然后过100目筛；
27.3.将过筛后的粉料放入马弗炉中，于900℃预烧，保温4小时；
28.4.将预烧后的粉料，放入氧化铝研钵里进行研磨，然后过200目筛，外加质量百分比为2.5％的聚乙烯醇溶液混合均匀，再用粉末压片机以20mpa的压力压制成坯体；
29.5.将成形的坯体于1060℃烧结，保温3小时，之后以4.5℃/min的降温速率降温至600℃，然后自然冷却至室温，制成具有高介电系数的钽酸铜陶瓷材料。
30.6.通过宽频阻抗分析仪测试所得制品的介电特性。
31.所得制品在室温条件下中频范围102hz-10
5 hz内测得介电系数为1564.6-17569.1，介电损耗为0.61-1.38，远优于相同制备条件下获得的cu2ta4o
12
。
32.实施例2
33.1.将原料按照cuo、tio2、ta
205
按cu
2.25
ta
3.5
ti
0.5o12
的化学计量式称量配料，将约10g混合粉料放入球磨罐中，加入15g去离子水和30g氧化锆球后，球磨8小时；
34.2.将球磨后的粉料放入干燥箱中，于110℃烘干,然后过100目筛；
35.3.将过筛后的粉料放入马弗炉中，于950℃预烧，保温3小时；
36.4.将预烧后的粉料，放入氧化铝研钵里进行研磨，然后过200目筛，外加质量百分比为2.5％的聚乙烯醇溶液混合均匀，再用粉末压片机以20mpa的压力压制成坯体；
37.5.将成形的坯体于1060℃烧结，保温3小时，之后以4.5℃/min的降温速率降温至600℃，然后自然冷却至室温，制成具有高介电系数的钽酸铜陶瓷材料。
38.6.通过宽频阻抗分析仪测试所得制品的介电特性。
39.所得制品在室温条件下中频范围102hz-10
5 hz内测得介电系数为939.8-21270.6，介电损耗为1.32-1.65，远优于相同制备条件下获得的cu2ta4o
12
。

技术特征：
1.一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法，其化学式为：cu2+xta
4-2x
ti
2x
o
12
，其中0＜x≤0.25。具体步骤实施如下：(1)将cuo、tio2、ta
205
按cu
2+x
ta
4-2x
ti
2x
o
12
，其中0＜x≤0.5的化学式进行配料；将粉料放入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆球后，球磨4-10小时；(2)将步骤(1)球磨后的粉料放入干燥箱中，于100-120℃烘干,然后过100目筛；(3)将步骤(2)过筛后的粉料放入马弗炉中，于850-950℃预烧，保温3-6小时；(4)将步骤(3)预烧后的粉料，放入氧化铝研钵里进行研磨，然后过200目筛，外加质量百分比为2.5％的聚乙烯醇溶液混合均匀，再用粉末压片机以20mpa的压力压制成坯体；(5)将步骤(4)的坯体于1050-1080℃烧结，保温3-4小时，之后以3-5℃/min的降温速率降温至600℃，然后自然冷却至室温，制成具有高介电系数的钽酸铜陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法，其特征在于，所述步骤(1)的粉料、去离子水和氧化锆球的质量比为1:1.5:3。3.根据权利要求1所述的一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法，其特征在于，所述步骤(1)的氧化锆球有三种直径，分别是8mm、4mm和1mm，质量比为1:2:1。4.根据权利要求1所述的一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法，其特征在于，所述步骤(5)的烧结温度为1060℃，保温时间为3小时。5.根据权利要求1所述的一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法，其特征在于，所述步骤(5)的降温速率为4.5℃/min。

技术总结
本发明提供一种提高钽酸铜陶瓷材料介电性能的方法，通过低浓度Ti元素掺杂形成固溶体实现的，将分析纯的CuO、TiO2、Ta


技术研发人员：刘洋 田长安 王操 贺图升 陈超
受保护的技术使用者：韶关学院
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/7/27