CC BY
30
УДК 666.3.015.4:666.366 Вершинин Д.И.*, Макаров Н.А.
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, ул. Миусская площадь, д.9. e-mail: d.i.vershinin@yandex.ru
КЕРАМИКА В СИСТЕМЕ LiiO - ZnO - TiOi С ДОБАВКОЙ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СОСТАВА
В системе Li2O - ZnO - TiO2 с использованием добавки эвтектического состава Li2O - ZnO - B2O3 синтезирован материал, который впоследствии может быть использован для изготовления микроволновых приборов, таких, как фильтры, резонаторы и ряд иных электронных компонентов. Показано, что введение модификатора в количестве 3,0 мас. % позволяет уже при температуре 950 °С добиться относительной плотности на уровне 97 %. Разработанная керамика характеризуется диэлектрической проницаемостью 17,8 и фактором диэлектрической добротности 45000 ГГц. Впоследствии необходимо детально исследовать влияние добавки на кинетику спекания, фазовый состав, микроструктуру и диэлектрические свойства.
Ключевые слова: низкотемпературный со-обжиг, LTCC - технология, микроволновые приборы, диэлектрическая проницаемость, фактор потерь, жидкофазное спекание, эвтектическая добавка.
В настоящее время, в связи с интенсивным развитием Wi-Fi и мобильной связи, значительно увеличилось количество широко используемых микроволновых приборов, таких, как фильтры, резонаторы и ряд иных электронных компонентов. Поскольку современные электронные приборы имеют тенденцию к миниатюризации и портативности, необходимо, чтобы электронные компоненты были также миниатюрными и высокосовершенными.
Технология низкотемпературного со-обжига керамики (LTCC) позволяет миниатюризировать многослойные компоненты, используя в качестве высокопроводящего металлического электрода серебро. Кроме того, помимо необходимости обеспечить микроволновые диэлектрические свойства, керамика, полученная методом LTCC технологии, должна иметь температуру спекания, которая не превышает температуру плавления серебра, составляющую 961 °С. Несмотря на то, что существует ряд материалов с высокими микроволновыми диэлектрическими свойствами, они не могут быть получены методом LTCC технологии, поскольку имеют температуру спекания, значительно превышающую 961 °С [1]. Следовательно, целью работы является синтез материала с более низкой температурой спекания при сохранении необходимого уровня электрофизических свойств: диэлектрическая проницаемость е не ниже 20 и фактор
диэлектрической добротности О.....'[. где О - величина,
обратная тангенсу угла диэлектрических потерь, а f - частота, на которой проведено измерение, 60000 -70000 ГГц [1-2].
Известны три способа снижения температуры спекания керамических материалов: повышение дисперсности припекающихся частиц, повышение дефектности кристаллической решетки и использование добавок, которые, с одной стороны, способны повышать дефектность кристаллической решетки, а с другой, образовывать жидкую фазу при
спекании, преимущественно эвтектического состава [3]. Наиболее эффективным, с точки зрения авторов, является третий способ.
В качестве спекающей добавки использовали состав, отвечающий одной из эвтектических точек в системе Li2O - ZnO - B2O3. В данном исследовании, как первом этапе работ по предложенной тематике, рассмотрено влияние температуры обжига на величину средней плотности и открытой пористости керамики, а также определены диэлектрические свойства.
В качестве исходных материалов для синтеза материала в системе Li2O - ZnO - TiO2 использовали Li2CO3, ZnO и TiO2 квалификации не ниже «чда». Стехиометрические количества исходных компонентов в соответствии с выбранным химическим оксидным составом, с учетом их потерь при прокаливании, измельчали в шаровой мельнице в течение 8 ч в ацетоне корундовыми шарами. Суспензию высушивали в конвективной сушилке при комнатной температуре, порошок впоследствии дважды протирали через сито с размером ячеек 0,5 мм. После сушки и гомогенизации, смесь прокаливали при температуре 900 °С с выдержкой при этой температуре в течение 2 ч.
Порошок модификатора в системе Li2O - ZnO -B2O3 получали методом плавления и последующей закалки. Исходными материалами для синтеза добавки служили Li2CO3, ZnO и B2O3 квалификации не ниже «чда». Стехиометрические количества исходных компонентов в соответствии с выбранным составом, с учетом потерь при прокаливании, измельчали в шаровой мельнице в течение 8 ч в ацетоне корундовыми шарами. Суспензию высушивали в конвективной сушилке при комнатной температуре, порошок впоследствии дважды протирали через сито с размером ячеек 0,5 мм. После сушки и гомогенизации, смесь подвергали плавлению в корундовых тиглях при температуре 1000 °С с выдержкой при этой температуре в течение 1 ч. Расплав выливали из
тиглей в сосуд с проточной водой. Впоследствии материал измельчали в планетарной мельнице в дистиллированной воде шарами из диоксида циркония. После измельчения, порошок высушивали при температуре 85 °С и дважды протирали через сито с размером ячеек 0,5 мм.
В работе использовали составы, содержащие модификатор в количестве 1,5 и 3,0 мас. %. Материал в системе Li2O - ZnO - TiO2 смешивали с добавкой в шаровой мельнице в среде ацетона в течение 8 ч. После сушки и гомогенизации, смесь дважды протирали через сито с размером ячеек 0,5 мм.
В качестве временной технологической связки для прессования использовали 5 мас. % раствор поливинилового спирта. После грануляции порошка, из него прессовали образцы в виде балочек размером 40x6x4 мм методом двустороннего прессования при давлении 100 МПа. Впоследствии, образцы обжигали при температурах 800 - 950 °С с шагом 50 °С в печи с нагревателями из карбида кремния в воздушной среде. Выдержка при конечной температуре обжига составила 2 ч.
Результаты исследований показывают, что, независимо от вводимого количества добавки, с ростом температуры обжига средняя плотность керамики увеличивается, в то время как открытая пористость - уменьшается. Содержания добавки в 1,5 мас. % недостаточно для сколько-нибудь
серьезного уплотнения во всем исследованном температурном интервале. В то же время, введение модификатора в количестве 3,0 мас. % позволяет уже при температуре 900 °С добиться относительной плотности на уровне 95 %, в то время как при температуре обжига 950 °С - 97 %. Последний результат признан наиболее удовлетворительным.
В дальнейшем, образцы состава, содержащего 3 мас. % модификатора, формовали в виде таблеток 022x5 мм и обжигали при температуре 950 °С. После нанесения на поверхность обожженных образцов металлизации, определяли
электрофизические свойства. Полученные результаты показывают, что для разработанного материала е = 17,8 и Ох/ = 45000 ГГц. Несколько заниженные значения диэлектрической
проницаемости, а также фактора диэлектрической добротности могут быть связаны, с одной стороны, с остаточной пористостью, а с другой - с наличием стеклофазы в материале.
Впоследствии необходимо детально исследовать влияние добавки Li2O - ZnO - B2O3 на кинетику спекания, фазовый состав, микроструктуру и диэлектрические свойства материала на основе системы Li2O - ZnO - TiO2 с целью достижения свойств, отвечающих целям, поставленным в работе.
Вершинин Дмитрий Игоревич, обучающийся по программе магистратуры факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Макаров Николай Александрович, д.т.н., профессор, профессор кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Sumesh G., Mailadil T.S. Microware dielectric properties of novel temperature stable high Q Li2Mg1-xZnxTi3O8 and Li2A1-xCaxTi3O8 (A = Mg, Zn) ceramics // J. Europ. Ceram. Soc. 2010. V. 30. P. 2585 -2592.
2. Sayyadi-Shahraki A., Taheri-Nassaj E., Hassanzadeh-Tabrizi S.A., Barzegar-Bafrooei H. Microware dielectric properties and chemical compatibility with silver electrode of Li2CO3 ceramics with Li2O - ZnO - B2O3 glass additive // Physica B. 2015. V. 457. P. 57 - 61.
3. Макаров Н.А. Керамика на основе Al2O3 и системы Al2O3 - ZrO2, модифицированная добавками эвтектических составов: дис. ... д.т.н. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. 394 с.
Vershinin Dmitry Igorevich*, Makarov Nikolay Aleksandrovich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
*e-mail: d.i.vershinin@yandex.ru
CERAMICS IN THE SYSTEM OF Li2O - ZnO - TiO2 WITH THE ADDITION OF THE EUTECTIC COMPOSITION
Abstract
The system Li2O - ZnO - TiO2 using additives eutectic Li2O - ZnO - B2O3 synthesized material which can subsequently be used to make microwave devices such as filters, resonators and a number of other electronic components. It has been shown that the introduction of a modifier in an amount of 3.0 wt.% allows at a temperature of 950 ° C to achieve a relative density of 97%. Designed ceramics characterized by a dielectric constant of 17.8 and a Q-factor of the dielectric 45,000 GHz. Subsequently, the effect of additives on the sintering kinetics, the phase composition, microstructure and dielectric properties should be investigated.
Keywords: low-temperature co-fired, LTCC - technology, microwave devices, the dielectric constant and loss factor, liquid-phase sintering, eutectic additive.
