[發明專利]利用放電等離子體燒結高介電CaCu3Ti4O12陶瓷的方法

無效

• 申請號: 201010125384.1
• 申請日: 2010-03-11
• 公開（公告）號: CN101792320A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 楊芝;張悅;王文波;熊銳;石兢;阮學鋒
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C04B35/64
• 分類號: C04B35/64;C04B35/624;C04B35/45;H01B3/12
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域：

本發明涉及一種高介電CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的燒結方法。

背景介紹：

CaCu₃Ti₄O₁₂(CCTO)是一種目前研究比較熱門的高介電電子材料，其室溫低頻段的相對介電常數高達10⁴～10⁵，且介電性能在較寬的溫度范圍內(100-300K)比較穩定，因此，CCTO材料在微電子方面具有較好的應用前景。

CCTO陶瓷的傳統燒結方法是用普通壓片機在一定壓力下(一般高達幾十甚至幾百兆帕斯卡)將CCTO粉末壓制成片后在馬弗爐中高溫燒結。為了獲得較為致密的陶瓷，需要經過較長的燒結時間(一般要幾十小時)。因此，能耗較大。

放電等離子體燒結(SPS)是一種可以通過短時間燒結即可獲得較致密片狀材料的燒結方法，它在制備各種合金和陶瓷材料中已有廣泛應用。但由于CCTO的特殊性能，目前SPS燒結還沒有在CCTO陶瓷的生產上使用。

發明內容：

本發明的目的就是根據CCTO的特殊性能提供一種能夠利用SPS燒結CCTO陶瓷的方法，既能相對現有方法大大減少高溫燒結時間以有效降低能耗，又能保有或增加CCTO的高介電性能。

本發明的技術方案由以下步驟組成：

1.將純CaCu₃Ti₄O₁₂粉末裝入模具并將該模具放入放電等離子體燒結腔里的上下電極間；

2.關閉燒結腔，開啟真空泵，對燒結腔抽真空；

3.對燒結腔升溫加壓，待升溫至800-980攝氏度時加壓強至20-70兆帕，保溫5-60分鐘，而后隨爐冷卻并隨溫減壓，關真空泵；

4.等溫度降到100℃以下時，將產品從燒結腔里取出。

上述純CaCu₃Ti₄O₁₂粉末可用溶膠-凝膠法制得。

在上述升溫加壓過程中，壓強大小應隨溫度升高而逐步加大，在低溫時應只加少許壓力。而在上述隨爐冷卻過程中可將壓力減至最小。

如果上述模具為石墨模具，則利用上述技術方案所得陶瓷的表面會出現一定厚度的滲碳層，為了除去滲入的碳需要將燒結好的樣品再在馬弗爐中進行500-900℃，保溫2小時以上的退火處理，而后再將退火后所得陶瓷表面由于滲碳而分解的部分打磨掉并拋光。

根據本發明燒結的CCTO陶瓷，其燒結的產品的XRD結果顯示樣品為純相，使用SEM可以觀察到其形貌比較致密，介電性能測量顯示樣品在室溫下具有較高的相對介電常數和較低的損耗。

附圖說明：

附圖1為本發明燒結的CCTO的斷面掃描電鏡形貌圖；

附圖2為本發明不同燒結溫度的CCTO的介電性能。其中圖2-1為相對介電常數比較圖，圖2-2為損耗比較圖；

附圖3為本發明不同燒結保溫時間的CCTO的介電性能。其中圖3-1為相對介電常數比較圖，圖3-2為損耗比較圖；

附圖4為本發明不同燒結壓力的CCTO的介電性能。其中圖4-1為相對介電常數比較圖，圖4-2為損耗比較圖；

附圖5為本發明不同退火溫度的CCTO的介電性能。其中圖5-1為相對介電常數比較圖，圖5-2為損耗比較圖；

附圖6為本發明退火保溫時間為2小時和10小時的CCTO的介電性能。其中圖6-1為相對介電常數比較圖，圖6-2為損耗比較圖；

附圖7為放電等離子燒結和普通燒結的介電性能。其中圖7-1為相對介電常數比較圖，圖7-2為損耗比較圖；

上述附圖中：F-頻率；ε′-相對介電常數；tanδ-損耗。

具體實施方式

下面以石墨模具為例，結合附圖對本發明作進一步的介紹：

實施例一：

制備條件為：燒結保溫時間為5分鐘，燒結溫度為980攝氏度，燒結壓力為51兆帕，退火溫度為600攝氏度，退火保溫時間為2小時。

從附圖1可知，經短時間燒結后，所得到的樣品非常致密。

實施例二；

制備條件為：燒結保溫時間為5分鐘，燒結壓強為51兆帕，退火溫度為600攝氏度，退火保溫時間為10小時，但燒結溫度卻是一個為800攝氏度另一個為980攝氏度。

從附圖2-1和附圖2-2可知：相應陶瓷在10000Hz下的相對介電常數前者為：3.0×10³，后者為7.0×10³，在這一頻率下的損耗前者為：0.12，后者為：0.12；