一种基于固废制备微波介质陶瓷的方法

技术领域

本发明涉及工业固废物资源化，具体涉及一种基于固废制备微波介质陶瓷的 方法。

背景技术

工业固废每年产量巨大，但是处理方式上以贮藏为主，这就导致了工业固废 逐渐积累，工业固废处理问题逐渐加重。未来工业固废处理将逐渐向高质量方向 推进，以技术创新为动力，加强人才培养，形成可持续发展模式。工业固废处理 是我国固废处理行业的重要组成部分，工业固废分为一般工业固废和工业危险废 物。由于工业固废受工业生产过程等因素的影响，成分常有变化，给处理和利用 造成困难；加之工业固废处理需要特殊设备以及专业的技术人员，都给工业固废 处理带来了较高的成本。

微波介质陶瓷所应用的微波频段是介于无线电波谱中的超短波和红外波之 间的电磁波，其频率范围从300MHz～300GHz，其波长从1m～0.1mm。微波 的波长很短、方向性极强，很适合于雷达和导航等来发现和跟踪目标；微波的频 段高、信息容量大，在其300MHz～300GHz范围内所包含的可使用波段数是0～ 300MHz的长、中、短波范围内所包含的可使用波段数的1000倍，有利于用来 进行信息传输。此外，微波能够穿透高空的电离层，因而特别适用于卫星通信传 输。微波技术起初主要应用于雷达、通信和导航等特殊场合，近年来，随着微波 通信的快速发展，微波技术在民用产品中的应用迅速增加。具有优良性能的微波介电陶瓷材料得到广泛关注并迅速推向市场，为诸如汽车电话、手机、对讲机等 无线通讯设备的小型化及便携性做出了关键性的贡献。

电子淤泥每年的产量非常巨大，而大部分处理方式为掩埋，这种处理方式并 不能有效利用，并且还会对以后土壤埋下隐患，所以需要提供一种可以有效利用 电子淤泥的方法，增加电子淤泥的利用率，以及利用价值。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于固废制备微波介 质陶瓷的方法，其是一种微波介电性能高、生产成本低的微波介电陶瓷的制备方 法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种基于固废制备的微波介质陶 瓷的方法，包括如下步骤：

(1)将电子厂淤泥在高温处理制成熔融块将得到的熔融块破碎加水球磨烘 干后得到粉料；

(2)用化学法定量该粉料中Ca和Al元素的比例，称取该粉体，向其中加 入TiO

(3)在陶瓷粉体中加入粘结剂造粒，陈化后压制成型，然后升温排塑，得 到陶瓷坯体；

(4)将步骤(3)所得的陶瓷坯体烧结后得到所述的陶瓷片；

(5)将陶瓷片加工成所需的尺寸、超声清洁、丝网印银，烘干，烧银得到 微波介质陶瓷材料。

其中，步骤(1)所述高温处理条件为：以不高于2℃/min的升温速率升 温至1500-1600℃，保温1～3小时，随炉冷却至室温。

其中，步骤(1)所述熔融块主要由金属氧化物为CaO和Al

其中，步骤(1)所述加水球磨为湿式球磨法混合，按照原料：球：水＝1:(2.8 ～5.2):(0.6～1.5)的质量比，其中球磨介质为氧化锆球，球磨时间为20-24小时。

其中，步骤(1)中产生的相关废气进入除硫塔，将得到的熔融块破碎加水 球磨24小时，烘干后得到粒度约为一微米的粉料。

其中，步骤(2)所述向其中加入TiO

其中，所述稀土氧化物为R

其中，步骤(2)所述合成为以不高于2℃/min的升温速率升温至1100～ 1300℃，保温1～3小时，随炉冷却至室温。

其中，步骤(2)两次球磨的条件与步骤(1)中球磨相同。

其中，步骤(3)所述粘结剂为聚乙烯醇(PVA)，粘结剂的加入量为陶瓷粉料 重量的5～7wt.％；所述排塑条件为以不高于2℃/min的升温速率升温至650～ 750℃，保温1～3小时。

其中，步骤(4)所述烧结条件为以不高于2℃/min的升温速率升温至 1400～1600℃，保温1～3小时，随炉冷却至室温。

其中，步骤(5)所述烧银条件为700～800℃，保温5～40分钟。

本发明制备方法所制备的微波介质陶瓷，具有良好介电常数和接近于零的谐 振频率温度系数，可以用于微波通讯领域和电路板基材等。

本发明中是使用的电子厂淤泥主要含有CaSO

此外，由于电子厂淤泥中含有较多的金属元素，并且含量相对较高，并包含 一定的重金属，如果随地掩埋或丢弃会造成土地的污染以及资源的浪费。本发明 在淤泥原有的基础上加入一些其他原料(例如TiO

同时，本发明中电子厂淤泥在高温处理温度和陶瓷坯体烧结温度在整个制备 环节中十分重要，其中任何一个温度的变化(如温度过低)均会导致最终微波介 质陶瓷介电性能的显著降低。温度过高品质因数Q和Q˙f会降低，会损失产品 的综合性能。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提出了一种基于固废制备微波介质陶瓷的方法，其是一种微波介电性 能高、生产成本低的微波介电陶瓷的制备方法，其有效的利用了电子厂淤泥，制 备的微波介质陶瓷中来源于电子厂淤泥组成约占比为20％-40％，可以有效地处 理回收利用工业固体废物电子厂淤泥，可以最大程度地净化改善环境，并且使得 本发明产品成本低，而且制备的微波介质陶瓷的介电性能等指标均能达到标准要 求，具有良好介电常数和接近于零的谐振频率温度系数，可以用于微波通讯领域 和电路板基材等。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行说明。

实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料， 如无特殊说明，均可从商业途径获得。

本发明实施例中使用的电子厂淤泥可采用市面上大多数电子厂淤泥其不含 有放射性元素即可。

实施例1

材料的组成为：Ca

(1)将电子厂淤泥以2℃/min的升温速率升至1500℃，保温2小时，处理 得到熔融块，其中相关废气进入除硫塔，将熔融块破碎后，过40目筛，之后采 用湿式球磨法处理，其中球磨介质为氧化锆球，按照原料:球:水＝1:4.5:1.2的质 量比混合24小时，使各组分混合均匀且粉料粒度降低。烘干后，再过40目筛。

(2)用化学滴定法出该粉料中Ca和Al的摩尔比为3:2，称量一定质量的该 粉末，向其中加入与Ca等摩尔量的TiO

(3)将步骤(2)的陶瓷粉体研磨，过40目筛。再按照湿式球磨法混合，按照 原料:球:水＝1:4.5:1.0的质量比细磨24小时，将细磨后的陶瓷粉料烘干。然后加 入6wt.％的PVA粘结剂(分子量12万)，造粒，压块陈化24小时，过20目 筛，在1.5MPa压力下压制成型，然后以2℃/min的升温速率升温到700℃保 温2h排塑，得到陶瓷素坯。

(4)将陶瓷素坯放入氧化铝坩埚内，以2℃/min的升温速率升至1500℃，保 温2小时，随炉冷却即得到陶瓷片。将烧结好的陶瓷片磨薄至0.5mm，清洗，烘 干，丝网印刷银浆，再烘干，以2℃/min的升温速率升至750℃，保温30分钟烧 银得到所述的微波介质陶瓷材料。

对比例1：

材料的组成为：Ca

(1)将电子厂淤泥以2℃/min的升温速率升至1400℃，保温2小时，处理 得到熔融块，其中相关废气进入除硫塔，将熔融块破碎后，过40目筛，之后采 用湿式球磨法处理，其中球磨介质为氧化锆球，按照原料:球:水＝1:4.5:1.2的质 量比混合24小时，使各组分混合均匀且粉料粒度降低。烘干后，再过40目筛。

(2)用化学滴定法出该粉料中Ca和Al的摩尔比为3:2，称量一定质量的该 粉末，向其中加入与Ca等摩尔量的TiO2，与0.5Al等摩尔量Pr

(3)将步骤(2)的陶瓷粉体研磨，过40目筛。再按照湿式球磨法混合，按照 原料:球:水＝1:4.5:1.0的质量比细磨24小时，将细磨后的陶瓷粉料烘干。然后加 入6wt.％的PVA粘结剂，造粒，压块陈化24小时，过20目筛，在1.5MPa压 力下压制成型，然后2℃/min的升温速率升温到700℃保温2h排塑，得到陶 瓷素坯。

(4)将陶瓷素坯放入氧化铝坩埚内，以2℃/min的升温速率升至1500℃，保 温2小时，随炉冷却即得到陶瓷片。将烧结好的陶瓷片磨薄至0.5mm，清洗，烘 干，丝网印刷银浆，再烘干，以2℃/min的升温速率升至750℃，保温30分钟烧 银得到所述的微波介质陶瓷材料。

对比例2：

材料的组成为：Ca

(1)将电子厂淤泥以2℃/min的升温速率升至1500℃，保温2小时，处理 得到熔融块，其中相关废气进入除硫塔，将熔融块破碎后，过40目筛，之后采 用湿式球磨法处理，其中球磨介质为氧化锆球，按照原料:球:水＝1:4.5:1.2的质 量比混合24小时，使各组分混合均匀且粉料粒度降低。烘干后，再过40目筛。

(2)用化学滴定法出该粉料中Ca和Al的摩尔比为3:2，称量一定质量的该 粉末，向其中加入与Ca等摩尔量的TiO

(3)将步骤(2)的陶瓷粉体研磨，过40目筛。再按照湿式球磨法混合，按照 原料:球:水＝1:4.5:1.0的质量比细磨24小时，将细磨后的陶瓷粉料烘干。然后加 入6wt.％的PVA粘结剂，造粒，压块陈化24小时，过20目筛，在1.5MPa压 力下压制成型，然后2℃/min的升温速率升温到700℃保温2h排塑，得到陶 瓷素坯。

(4)将陶瓷素坯放入氧化铝坩埚内，以2℃/min的升温速率升至1300℃，保 温2小时，随炉冷却即得到陶瓷片。将烧结好的陶瓷片磨薄至0.5mm，清洗，烘 干，丝网印刷银浆，再烘干，以2℃/min的升温速率升至750℃，保温30分钟烧 银得到所述的微波介质陶瓷材料。

对比例3

对比例3与实施例1的方法相同，不同之处在于：步骤(1)中将电子厂淤泥 以2℃/min的升温速率升至1800℃，保温2小时。

对比例4

对比例4与实施例1的方法相同，不同之处在于：步骤(4)中将将陶瓷素坯 放入氧化铝坩埚内，以2℃/min的升温速率升至1800℃，保温2小时。

实施例2

材料的组成为：Ca

(1)将电子厂淤泥以2℃/min的升温速率升至1600℃，保温1小时，处理 得到熔融块，其中相关废气进入除硫塔，将熔融块破碎后，过40目筛，之后采 用湿式球磨法处理，其中球磨介质为氧化锆球，按照原料:球:水＝1:2.8:0.6的质 量比混合20小时，使各组分混合均匀且粉料粒度降低。烘干后，再过40目筛。

(2)用化学滴定法出该粉料中Ca和Al的摩尔比为3:2，称量一定质量的该 粉末，向其中加入与Ca等摩尔量的TiO

(3)将步骤(2)的陶瓷粉体研磨，过40目筛。再按照湿式球磨法混合，按照 原料:球:水＝1:4.5:1.0的质量比细磨24小时，将细磨后的陶瓷粉料烘干。然后加 入5wt.％的PVA粘结剂(分子量12万)，造粒，压块陈化24小时，过20目 筛，在1.5MPa压力下压制成型，然后2℃/min的升温速率升温到650℃保温 3h排塑，得到陶瓷素坯。

(4)将陶瓷素坯放入氧化铝坩埚内，以2℃/min的升温速率升至1400℃，保 温3小时，随炉冷却即得到陶瓷片。将烧结好的陶瓷片磨薄至0.5mm，清洗，烘 干，丝网印刷银浆，再烘干，以2℃/min的升温速率升至700℃，保温40分钟烧 银得到所述的微波介质陶瓷材料。

实施例3

材料的组成为：Ca

(1)将电子厂淤泥以2℃/min的升温速率升至1500℃，保温3小时，处理 得到熔融块，其中相关废气进入除硫塔，将熔融块破碎后，过40目筛，之后采 用湿式球磨法处理，其中球磨介质为氧化锆球，按照原料:球:水＝1:5.2:1.5的质 量比混合24小时，使各组分混合均匀且粉料粒度降低。烘干后，再过40目筛。

(2)用化学滴定法出该粉料中Ca和Al的摩尔比为3:2，称量一定质量的该 粉末，向其中加入与Ca等摩尔量的TiO

(3)将步骤(2)的陶瓷粉体研磨，过40目筛。再按照湿式球磨法混合，按照 原料:球:水＝1:4.5:1.0的质量比细磨24小时，将细磨后的陶瓷粉料烘干。然后加 入7wt.％的PVA粘结剂(分子量12万)，造粒，压块陈化24小时，过20目 筛，在1.5MPa压力下压制成型，然后2℃/min的升温速率升温到750℃保温 1h排塑，得到陶瓷素坯。

(4)将陶瓷素坯放入氧化铝坩埚内，以2℃/min的升温速率升至1600℃，保 温1小时，随炉冷却即得到陶瓷片。将烧结好的陶瓷片磨薄至0.5mm，清洗，烘 干，丝网印刷银浆，再烘干，以2℃/min的升温速率升至800℃，保温5分钟烧银 得到所述的微波介质陶瓷材料。

试验例1

对于这些实施例，还可以采用TE01D谐振腔及网络分析仪E5071C对烧结 得到的微波介质陶瓷材料样品在常温下测试，采用HakkiandColeman的介质谐振 腔法测试圆柱体谐振频率下的微波介电性能，采用恒温箱进行谐振频率温度系数 的测试，得到微波介质陶瓷材料的介电性能的测试结果如表1所示：

表1微波介质陶瓷材料的介电性能的测试

由表1可见，本发明实施例1制备的微波介质陶瓷材料的介电性能介电常数、 中心频率、Q˙f和Τf(谐振频率温度系数)明显优于对比例1-4，而本发明实 施例1制备的产品Q˙f高则代表材料体系的介电损耗低；而同时实施例1制备 的产品Tf接近于零，可以更好应用于微波通讯领域和电路板基材等。上述对比 例1-4结果说明本发明制备方法中电子厂淤泥在高温处理温度和陶瓷坯体烧结 温度的重要性。