ZnNb2O6陶瓷粉体制备技术研究

4.1 研究背景和意义
微波介质陶瓷是近20年来迅速发展起来的
一类新型功能陶瓷。实现微波设备的小型 化、高稳定性和低成本的途径是微波电路 的集成化，但是由于金属谐振腔和金属波 导体积重量过大，大大限制了微波集成电 路的发展，而微波介质陶瓷制作的谐振器 与微波管、微带线等构成的微波混合集成 电路，可使器件尺寸达到毫米量级，这使 得微波介质陶瓷成为实现微波控制功能的 基础和关键材料。
说明此吋Nb2O5和ZnO己反应完全，所得 到粉体为单-的ZnNb2O6相。随着煅烧温度 的进-步提高，在所得到的粉体中没有发现 第二相的存在（如图2.1.c）。由此可以认 为，釆用传统的固相法制备ZnNb2O6粉体， 粉体最低合成温度为800℃，反应吋间-般为 6h。
3.2扫描电镜（SEM）分析
ZnNb2O6陶瓷粉体制备 技术研究
主讲人：黄智滨 组 员：黄新华 黄明愿 黄艳平 黄镇元 周伯鑫 黄智滨
ZnNb2O6陶瓷粉体制备技术研究
1. 简介 2. 实验部分
3. 分析方法
4. 应用
1. 简介
随着无线通讯技术向微波方向的不断 发展，高性能低成本的微波介质陶瓷越来 越受到关注，不仅可以用作微波电路中的 绝缘基片材料，也是制造滤波器和谐振器 的关键材料。而性能优异的铌酸锌陶瓷作 为其中典型的代表成为近年来功能陶瓷最 活跃的研究领域之一。
按铌酸锌化学计量比在电子天平 上称量1：1。将称量好的药品混合放入聚 乙烯罐中，在球磨机上球磨6h(无水乙醇作 为球磨介质，AlO3磨球);1，混合均匀后在 烘箱中1211以彻底除去乙醇，然后将千粉 磨细，装入坩埚内，放到马弗炉中，分别 在750℃, 800℃, 850℃,下煅烧6h，所得到粉 料再进行千燥过筛等工艺后，得到所需粉 体。
它的应用大致分为两个方面:一是用于介质 谐振器(DRO)的介质陶瓷，包括带通(阻)滤 波器、分频器、双工器和多工器、调制解 调器等固体振荡器中的稳频元件；另一种 是用于微波电路中的介质陶瓷，其中包括 用于微波集成电路(MIC)的介质基片、介质 波导及微波电容器等。除了作为MIC基片、 支撑件及介质波导衬底材料要求ε小外，介 质谐振器及其它微波器件一般都要求高ε及 高品质因数值和适度小且可调整的谐振频 率温度系数τf [6]。
3.1 X射线衍射(XRD)分析
图2.1为釆用 固相法，分 别在750℃, 800℃, 850℃ 三个温度下 煅烧6h后得 到的粉体样 品XRD谱图。
从图上可以看出，当煅烧温度为750℃吋，
所得到粉体的XRD谱图中除了ZnNb2O6晶 体的特征峰（如图2.1.a，）还出现了许多 杂峰，经鉴别，这些杂峰与Nb2O5的特征 峰基本相吻合，说明在此温度下，Nb2O5 和ZnO未能充分反应，不能得到纯净的 ZnNb2O6粉体。当煅烧温度升高到800℃吋， 所得到粉体的XRD图谱中只有ZnNb2O6特 征峰存在（如图2.1.b)。
固相法制备ZnNb2O6陶瓷粉体
传统固相法也称氧化物烧结法，是制 备陶瓷粉体一种基本方法，也是目前在科 研和工业化生产中釆用的最主要的一种方 法。该方法是将两种或两种以上的物质， 按照化学计量比称量后混合，利用机械粉 碎、电火花爆炸、高能球磨等方法将其研 细并使之混合均匀。然后将粉末放入坩埚 中，在箱式电阻炉内于所需温度下锻烧， 即得产物。
2.实验部分 2.1实验试剂
实验中所用原料与试剂见表2.1
名称 五氧化二铌 分子式 Nb2O5 级别 分析纯 生产厂家 中国医药（集团〕上海化学试剂 公司
氧化锌
ZnO
分析纯
莱阳经济技术开发区精细化工厂
乙醇
CH3CH2 OH
分析纯
烟台三和化学试剂有限公司
2.2实验仪器
实验中所用仪器见表2-2。 表2-2实验仪器
目前在微波通信领域存在着两大发展趋势
影响着对微波介质陶瓷的性能要求。首先 现代移动通信技术己经在全球范围内日益 普及，用户量不断扩大，尤其是移动互联 网技术的发展，使移动通信的信息容量更 是呈指数增长，为了容纳不断增长的通信 容量，微波通信的频率就势必向着更高频 率，即毫米波和亚毫米波的方向发展。这 给微波介质陶瓷的性能要求带来了两方面 的影响，首先介电常数的重要性相对降低， 由于介质谐振器的尺寸与λ ／ε 1/2成正比， 频率越高波长越短，介质谐振器的
4. 应用：微波介质陶瓷
微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中
作为介质材料并完成一种或多种功能的陶 瓷材料，适于制作各种微波器件，如电子 对抗、导航、通讯、雷达、家用卫星直播 电视接收机和移动电话等设备中的稳频振 荡器、滤波器和鉴频器，还可以用作微波 电路的载体、介质天线、介质波导回路等， 能满足微波电路小型化、集成化、高可靠 性和低成本的要求，己成为目前功能陶瓷 领域研究的热点之一。
反比，但在更高频率下提高介电常数减小 谐振器尺寸的作用是有限的。为了实现通 信终端的进一步小型化，釆用微波频率下 的多层集成电路技术(MLIC)逐渐得到发展， 而多层片式元件(包括片式微波介质谐振器、 滤波器及具有优良高频使用性能的片式陶 瓷电容器等)是实现这一目的的唯一途径。 微波元器件的片式化需要微波介质材料能 与高电导率的金属电极共烧。从低成本和 环保角度考虑，使用熔点较低的Ag(961℃) 或Cu（1064℃）！等金属作为电极材料最 为理想，而这就要求微波介质材料能够低 温烧结。
尺寸在介电常数不是很大的情况下也可以很 小；其次品质因数的重要性升高，因为在 微波频段下品质因数与频率的乘积Q×f是 常数，Q×f值越大选频性越好[7]。 第二个发展方向是通信终端向着小型化、 轻量化、集成化、高可靠性和低成本的方 向发展。为了满足通信终端的小型化，最 初的努力是要提高材料的介电常数，因为 谐振器的尺寸大小与介电常数的平方根成
工艺流程图如下：
2.4实验产物表征
XRwenku.baidu.com表征：釆用德国D8 advance 型X射线
衍射仪测定样品的矿相组成(CuKa射线，X 射线管电压40.0KV，电流100mA)。 2θ扫描 范围10〜40°，扫描速度5°/min。 SEM表征：釆用日本JSM-840型扫描电子 显微镜(SEM)观察分析产物粉体颗粒的尺寸 和结晶形貌等。制备试样吋，先使用超声 波振荡仪将粉体样品充分分散于无水乙醇 中，然后，滴在载波片上，喷金后观测。
固相法制备ZnNb2O6陶瓷粉体
但因原料较难混合均匀，反应温度高， 反应不易进行完全，故生产出的粉体颗粒 较大，并且分布不均匀，常常混有杂相。 该方法的主要优点是：设备和工艺简单、 便于工业化生产，生产成本较低；可根据 要求任意调节化学组成。该法的缺点有： 因原料较难混合均匀，反应温度高，反应 不易进行完全， 故生产出的粉体颗粒较大， 并且分布不均匀，常常混有杂相。
所以能够和Ag等高电导率的金属电极 共烧的低温烧结微波介质陶瓷是今后发展 的必然方向[8,9]。综上所述，现代微波通 信技术对微波介质陶瓷的性能要求是：高 的Q×f值、低的烧结温度、近于零的可调 整的温度系数、以及-定水平的介电常数 [10]。本论文根据上述要求，重点研究了铌 酸盐AB2O6型微波介质陶瓷，尤其以 ZnNb2O6为重点（Q×f＝83700GHz，ε＝ 25左右)的粉体制备技术，为其能够在这些 方法制备ZnNb2O6粉体基础上实现陶瓷的 低温烧结。
为了与其他方法所得粉体进行比较，我们
选用固相法最低合成温度(800℃) 所得到的粉体作为代表。釆用SEM对所得 粉体进行微观形貌的分析。所得粉体的 SEM图片如图2.2所示。
从图2.2可以看出，用固相法得到的
ZnNb2O6粉体颗粒形状接近为球形，粉体 颗粒粒径分布较宽，粗细分布不均匀，并 存在着大量的团聚现象。 根据(Cahn)的研究结果表明，颗粒生长过 程主要受扩散机制或界面反应机制控制， 由扩散机制控制的生长过程形成的粉体颗 粒为球形，在界面机制控制下颗粒则按一 定的取向生长。在此实验中，ZnNb2O6的 生成取决于反应物Nb2O5和ZnO的扩散速 度以及其反应速度，由于固相法反应的特 点可知，反应物的扩散速度远远低于其反 应速度，再加上反应过程中无液相存在，
仪器名称 电子天平 型号 FA2004A 生产厂家 上海精天电子仪器有限公司
球磨机
高纯刚玉坩埚
KM-2
淄博启明星新材料有限公司
临海市精工真空设备厂
电热鼓风干燥箱
马弗炉
101
SX2-4-13
北京科伟永兴仪器有限公司
天津市中环实验电炉有限公司
2.3实验过程
实验原料釆用高纯Nb2O5和ZnO 99.99％)，
所以起控制作用的是Nb2O5和ZnO扩散速 度，即ZnNb2O6颗粒生长过程主要受扩散 机制控制，所以所得粉体形状呈现为等轴 状。也正因为ZnNb2O6颗粒生长过程主要 受扩散机制控制，所以粉体需要的合成温 度较高，反应吋间较长。而且由于原料较 难混合均匀，反应温度高， 反应不易进行 完全等原因，固相合成法所得粉体颗粒粒 径'般分布较宽，粗细分布不均匀。另外在 反应过程中，由于无液相生成，ZnNb2O6 粉体颗粒相互连接，所以存在着大量的团 聚现象，这也与图2.2中所显示的情况相吻 合。