[发明专利]一种利用空气淬火降低钛酸铜钙陶瓷损耗的方法

说明书

本发明公开了一种基于溶胶‑凝胶法利用空气淬火制备低介电损耗钛酸铜钙陶瓷的方法。方法如下：以硝酸铜、硝酸钙、钛酸丁酯为原料，以无水乙醇为溶剂，首先按照钛酸铜钙的化学表达式CaCu₃Ti₄O₁₂（CCTO）中各化学元素的计量比进行称量配料；接着把配置好的溶胶放置于80℃的水浴锅中，不断搅拌至形成干凝胶；然后先后利用电炉和马弗炉除去干凝胶中的有机物，形成CCTO陶瓷前驱体粉末；之后进行加胶、研磨、造粒、压片，制成陶瓷胚体，再把胚体放入马弗炉内进行烧结、保温；最后在烧结结束后，当炉内温度下降到1000℃以下时取出CCTO陶瓷样品，使其在空气中淬火冷却到室温。本发明操作工艺简单，烧结温度较低，制备的陶瓷样品致密性好，介电损耗低，频率稳定性好。

技术领域

本发明属于电介质材料领域，具体涉及一种低损耗钛酸铜钙（CaCu₃Ti₄O₁₂，简称CCTO）陶瓷的制备方法。

背景技术

随着科技的不断发展，包括微电子行业、新能源行业等诸多领域都对介电材料的小型化、高性能有了更高的标准。因此，巨介电材料成为当今研究的热点。所谓的巨介电材料是指ε_r＞10³的介电材料，是使电子器件小型化、高集成化的重要条件之一，在高密度能量存储和微电子器件领域有着很广阔的应用前景。

CCTO陶瓷材料是最近十多年最受关注的巨介电常数材料之一。CCTO陶瓷具有很高的介电常数和很好的温度稳定性，介电常数可达到10⁴~10⁵，介电常数100~600 K几乎没有任何改变，而且没有任何相变的产生。除此之外，CCTO陶瓷还具有优秀的压敏特性，这使其有望在高密度信息存储、薄膜器件、应用型集成电路、高介电电容器以及非线性器件领域得到广泛的应用。

但是，CCTO陶瓷在表现极高介电常数的同时，还伴随着较高的介电损耗（＞0.1），这会导致器件在使用过程中产生过多的热量，使得元件温度升高，器件性能劣化，加速器件老化。因此，如何在保证CCTO有高介电常数的同时使其介电损耗下降成为当今研究热点。

现阶段对抑制CCTO陶瓷高损耗的措施主要有以下两大类：一是通过掺杂或取代在CCTO陶瓷中加入新的元素改变其性能，进而降低CCTO陶瓷的介电损耗；二是改变烧结温度、时间、气氛等烧结条件来降低其损耗。而通过改变样品烧结结束后冷却条件的相关方法却鲜有报道。本发明就是提供了一种使CCTO陶瓷损耗下降的全新制备方法。

公开文献“宋江，CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷淬火态微结构与介电性能研究，陶瓷避雷器，2017 Ser. No. 275 (128-131)”中利用固相法与空气淬火冷却降温的方式制备了CCTO陶瓷，但是其结果却使损耗大幅度提高，这个结果与本发明结果相反，与低损耗CCTO陶瓷的需求不符。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种低损耗CCTO陶瓷的制备方法。该制备方法可以明显降低CCTO陶瓷的介电损耗，提高了频率稳定性和致密性。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

（1）以摩尔比为1:3:4:9.6的比例分别称取对应质量的硝酸铜、硝酸钙、钛酸丁酯、柠檬酸；

（2）将硝酸铜、硝酸钙、柠檬酸倒入适量的无水乙醇中，不断搅拌使其充分溶解，形成A溶液；

（3）将钛酸丁酯倒入适量的无水乙醇中，搅拌使其溶解均匀，形成B溶液；

（4）保持A溶液不断搅拌的同时，将B溶液缓慢倒入A溶液中，形成溶胶；

（5）将适量聚乙二醇加入到溶胶中，搅拌至完全溶解；把该溶液放入恒温80 ℃的水浴锅中不断搅拌，使之形成凝胶；