[发明专利]一种低温烧结YIG旋磁铁氧体材料及其制备方法

说明书

本发明属于电子陶瓷技术领域，具体提供一种低温烧结YIG旋磁铁氧体材料及其制备方法，用以解决现有低温烧结YIG旋磁铁氧体材料在LTCC工艺下均难以满足低温烧结以及旋磁性能优异要求的问题。本发明提供一种低温烧结YIG旋磁铁氧体材料：Y_2.1Bi_0.9Fe_5‑3xZn_2xV_xO₁₂、0＜x≤0.06，具有单一石榴石结构，Bi³⁺离子占据石榴石晶格十二面体、取代一部分Y³⁺离子，V⁵⁺离子占据八面体、取代一部分Fe³⁺离子，同时引入金属离子Zn²⁺离子，实现多离子取代活化YIG铁氧体晶格，促进YIG铁氧体900～960℃下低温烧结的同时，改善材料的微波特性：较高的饱和磁化强度、较低的矫顽力、较低的微波介电损耗和磁损耗，使之满足LTCC技术要求，对集成度要求高、体积要求小的微波铁氧体器件的制造提供基础材料。

技术领域

本发明属于电子陶瓷技术领域，具体涉及一种低温烧结YIG旋磁铁氧体材料及其制备方法。

背景技术

随着信息产业和通信技术的发展，小型化、集成化、高频化以及便捷化，成为发展的趋势。相应的，元器件和系统为了满足需求，需要做到更小的尺寸、更好的兼容性、更高的频率、更好的稳定性、更复杂的结构、更高的安全性。LTCC技术的出现为元器件和系统的封装和制备工艺提供了新的思路，利用LTCC技术制造高集成、小尺寸、低损耗的微波铁氧体器件成为重要的研究方向。YIG是一种重要的低损耗微波旋磁材料，在电子、磁性、磁光、生物医学和微波器件中有许多应用；其具有显著的特性，如高电阻率、高相对介电常数、良好的饱和磁化强度、中等矫顽力、低介电损耗和微波区的低铁磁共振线宽；但YIG材料的烧结温度一般在1450℃，远远超出了LTCC的加工温度上限，因而，实现与LTCC技术兼容的YIG铁氧体材料并改善低温烧结YIG铁氧体的旋磁性能成为迫切需要解决的问题。

目前，针对YIG旋磁铁氧体低温烧结方法的研究主要集中在加入低温软化玻璃、低熔点氧化物、采用不同的制备工艺以及离子取代等。专利号为201610804889.8、发明名称为“一种低温烧结细小晶粒钇铁石榴石粉体的制备方法”的中国专利，公开了一种使用热等静压技术生产细小晶粒钇铁石榴石粉体的制备工艺，该发明采用将取向压制后的粉体置于热等静压炉内，冲入150Mpa惰性气体Ar，以10℃/min的升温速率将样品加热到700℃，并在700℃的条件下保温2h后以20℃/min的速度降温至500℃，然后随炉冷却得到样品，然而，该工艺过程要求的取向压制以及热等静压烧结难以与现有的LTCC工艺技术兼容。孙可为等人在文献“低温烧结B₂O₃掺杂Y_1.05Bi_0.75Ca_1.2Fe_4.4V_0.6O₁₂铁氧体的微结构研究”中引入低熔点氧化物B₂O₃掺杂Y_1.05Bi_0.75Ca_1.2Fe_4.4V_0.6O₁₂铁氧体，并对其低温烧结特性进行了研究，烧结温度对B₂O₃掺杂的Y_1.05Bi_0.75Ca_1.2Fe_4.4V_0.6O₁₂铁氧体的密度影响显著，样品在1040℃下烧结，固相反应完全，晶粒大小均匀，但其密度较低仅4.94g/cm³，由于采用缺铁配方，缺铁过多，有少量的YFeO₃钙钛矿存在。宗波等人在文献“掺Li₂O-B₂O₃-ZnO玻璃低温烧结钇铁氧体及其磁性能研究”中引入Li₂O-B₂O₃-ZnO(LBZ)掺杂YIG样品，在1100℃下烧结生成了YIG铁氧体单相，晶粒生长较好，但掺杂玻璃后的样品饱和磁化强度4πMs降低，铁磁共振线宽ΔH增大。T.Ramesh等人在其文献“Low Temperature Sintering of YIG Using MicrowaveSintering Method”以及JunliangLiu等人在文献“Microwave-Assisted Synthesis ofYttrium Iron Garnet Nano Powders for Low Temperature Sintering”中研究了低温烧结钇铁石榴石粉体的微波辅助合成，发现致密的YIG陶瓷在1050-1100℃的温度下烧结，这远低于传统固相反应(～1450℃)粉末的烧结温度，但仍不能实现与银电极共烧。综合分析上述关于低温烧结YIG旋磁铁氧体材料的文献发现，无论是添加低熔点氧化物、低温软化玻璃、离子取代或者微波辅助合成等方案，在LTCC工艺下均难以满足低温烧结以及旋磁性能优异的要求。