一種高溫度穩定性的介電陶瓷材料及其製備方法
2023-12-03 17:32:16
專利名稱：一種高溫度穩定性的介電陶瓷材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及介電陶瓷材料技術領域，具體地，涉及一種高溫度穩定性的介電陶瓷 材料及其製備方法。
背景技術：
在電子技術迅猛發展的今天，被動元件日益向著小型化、多功能化、高可靠性和低 成本的方向發展。然而，所有被動元件的質量基礎都不外乎其對應的功能瓷料之質量水平 和製作工藝中的質量控制程度，是故製作具有高品質功能瓷料是所有被動元件製造廠家的 首要目標。
作為現代電子行業的基礎，作為被動元件的重要和主要分支，陶瓷介質電容器以 其體積小、比容大、內部電感小和高頻穩定性好等優點，在電容器行業始終佔據主導地位。 介電陶瓷材料是製備陶瓷電容器的基礎，其同時其還具有易合成、低成本和適宜產業化的 特點。
目前，以BaTiO3或具有ABO3鈣鈦礦結構原材料為主晶相製備的介電陶瓷，往往不 能兼顧介電常數及其溫度變化率、損耗角正切值及其對電壓的依賴性，同時還存在陶瓷坯 體脆性大，難以機械加工的缺點；這就提出了如何兼顧介電陶瓷的各項性能之要求。
隨著高功率器件及精密濾波器的迅速發展，對介電陶瓷的溫度穩定性要求不斷提 高；同時，由於對介電陶瓷體外形及結構方面的要求亦日益多樣化，因此提高介電陶瓷溫度 穩定性，降低瓷體脆性變得尤為重要。
由於具有較高的介電常數，BaTiO3體系介電陶瓷被認為是電子工業的支柱，但其 介電常數在居裡點附近有較大突變，且隨環境溫度的變化較大。目前，廣泛應用於移動通信 產品、筆記本電腦、航空儀表等方面的X7R介電陶瓷的溫度穩定性(士 15%)已經不能滿足 多層陶瓷電容器(MLCC)和電流磁場幹擾(EMI)濾波器的使用要求。因此改善介電陶瓷的 介電溫度穩定性是目前的研究熱點之一，而當前改善介電陶瓷溫度穩定性的研究，主要集 中在對以鈦酸鋇粉體為主的介電陶瓷材料之配方與製備工藝方面。發明內容
本發明的目的在於提供一種高溫度穩定性介電陶瓷材料及其製備方法。
該介電陶瓷材料按照規定工藝條件製備成介電陶瓷後，具備如下電氣性能溫 度變化率|Δ ε(-25 °C 85 °C )，介電常數1000，損耗角正切值 tg5 ^ 1%，擊穿電壓 VBdc> 10KV/mm。
為實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種高溫度穩定性的介電陶瓷 材料，包含以質量百分比計的下述基礎原料=BaTiO3 30 60wt%，SrTiO3 5 35wt%， PbTiO3 2 25wt%，CaZrO3 1 20wt%，Bi2O3 · nTi02 :1 30wt% ；基於上述基礎原料， 還包含以質量百分比計的添加劑=MgO 1 30wt%，MnCO3 :0. 01 Iwt % ；所述的基礎原料 BaTi03、SrTiO3> PbTi03> CaZrO3及Bi2O3 · nTi02均是由固相合成法合成的物質，所述的η =1 5。
為實現上述目的，根據本發明的另一個方面，提供了一種高溫度穩定性介電陶瓷 材料的製備方法，包括兩次固相合成工藝，具體為
(1)第一次固相合成法預合成基礎材料
以BaC03、SrCO3> CaCO3> PbO、Bi203、ZrO2和作為原材料，通過固相合成法分別 預合成基礎材料 BaTiO3^ SrTiO3> PbTi03、Bi2O3 · nTi02 及 CaZrO3 ；
預合成的合成條件為升溫速率100 300°C /小時，保溫時間1 5小時，降 溫速率150 300 0C /小時；其中BaT i O3、Sr Ti O3禾口 CaZrO3的合成溫度為1050 1300 °C, PbTiO3 和 Bi2O3 · nTi02 的合成溫度為 600 900°C ；
(2)第二次固相合成法再合成高溫度穩定性的介電陶瓷材料
將所述的步驟(1)中預合成的基礎材料輔以添加劑MgO和MnCO3,按照權利要求 1中所述的配比，通過固相合成法進行再合成，然後再輔之以離心造粒等常規的介電陶瓷材 料製備工藝製備成高溫度穩定性的介電陶瓷材料；
再合成的合成條件為升溫速率100 300°C /小時，合成溫度1050 1300°C， 保溫時間1 5小時，降溫速率150 300°C /小時。
進一步地，經過兩次固相合成工藝並輔之以離心造粒等常規的工藝製成的介電陶 瓷材料，再經過3000 30000高斯除鐵處理，可製成高溫度穩定性的介電陶瓷材料。
在上述製備方法中，兩次固相合成工藝直接影響該介電陶瓷材料(製成陶瓷電容 器後)的綜合性能及其燒結溫度。
進一步地，所述的再合成後的材料經過離心造粒後進行除鐵處理，此除鐵工藝可 直接影響介電陶瓷材料(製成陶瓷電容器後)的擊穿電壓性能。
將經過除鐵工藝後的兩次固相合成介電陶瓷材料，按照以下工藝加工成介電陶瓷 體並進行檢測
(A)幹壓成型成型密度=3. 0 4. Og/cm3。
(B)燒結
室溫一250"C/ 小時丨一800"C X 1 小時一250°C / 小時丨一1250°C 1400X 1 3小時一2000C /小時丨一8000C- 2500C /小時丨一200°C以下。
(C)製備電極使用含銀量70wt%的銀漿，絲網印刷，820°C保溫10 20分鐘燒滲 銀電極。
經檢測，由該介電陶瓷材料加工成的介電陶瓷電容器具備如下電氣性能溫度變 化率I Δ ε /ε25^5% (_25°C 85°C )，介電常數ε M彡1000，損耗角正切值tg δ ^ 1%, 擊穿電壓VBdc彡10KV/mm。
相對於現有技術，本發明具有以下有益效果
1、本發明採用的基礎原料為經固相合成法合成的鈦酸鹽材料，相對於通過化學合 成法合成的鈦酸鹽材料，有利於介電陶瓷材料的溫度穩定性。
2、本發明採用兩次固相合成工藝進行合成介電陶瓷材料，與傳統的燒結工藝 相比，經該介電陶瓷材料加工成的介電陶瓷體具備如下電氣性能特點材料溫度變化率Δ ε I/ ε 25 ^ 5% (_25°C 85°C )，介電常數1000，損耗角正切值tg δ彡1%，擊 穿電壓VBrc ^ 10KV/mm ；即在具有較高介電常數和低損耗的同時，具有優良的介電溫度穩定性和可加工性，可用於對溫度穩定性要求嚴格的高壓電容器及相關元器件的製造。
3、採用本發明的介電陶瓷材料所製備的介電陶瓷電容器瓷坯在正常的磨削、切割 等機械加工過程中，不會出現崩瓷、碎裂現象。
4、本發明所選用原料價格低廉、來源廣泛，新配方的高溫度穩定性具有良好的市 場前景，可作為同類材料的換代產品。
具體實施方式
實施例1
本發明的高溫度穩定性的介電陶瓷材料，按如下方法進行製備
(1)所選用的原材料，其主含量大於98. 5%。
(2)按照以下摩爾配比計算基礎材料配方
BaCO3 TiO2 = 1 1，用於製備 BaTiO3 ；
SrCO3 TiO2 = 1 1，用於製備 SrTiO3 ；
PbO TiO2 = 1 1，用於製備 PbTiO3 ；
Bi2O3 nTi02 = 1 η，用於製備 Bi2O3 · nTi02 (η = 1 5)；
CaCO3 ZrO2 = 1 1，用於製備 Ca&03 ；
(3)將按照步驟O)中計算並稱量好的基礎材料之原材料，按照以下工藝要求進 行加工
(A)溼式球磨球磨時間=12小時。
(B)出料並壓濾脫水。
(C)乾燥120°C保持12小時。
(D)壓塊壓制密度=2. 2g/cm3。
(E)預合成升溫速率=1500C /小時，BaTi03、SrTiO3和Ca^O3的合成溫度為 1200°C，PbTiOjP Bi2O3 ·ηΤi02的合成溫度為750°C，保溫時間=3小時，降溫速率=250 °C / 小時。
(F)破碎輥軋後的材料顆粒度小於2mm。
(4)將C3)步驟所生產出的基礎材料按照表1計算本發明所涉及的介電陶瓷材料 的配比
表1介電陶瓷材料的配比
權利要求
1.一種高溫度穩定性的介電陶瓷材料，其特徵在於，包含以質量百分比計的下述基礎 原料=BaTiO3 30 60wt%，SrTiO3 5 35wt%，PbTiO3 2 25wt%，CaZrO3 1 20wt%， Bi2O3 · nTi02 1 30wt% ；基於上述基礎原料，還包含以質量百分比計的添加劑MgO :1 30wt%，MnCO3 :0. 01 Iwt % ；所述的基礎原料BaTi03、SrTiO3> PbTi03、CaZrO3及Bi2O3 · nTi02均是由固相合成法合 成的物質，所述的η = 1 5。
2.根據權利要求1所述的一種高溫度穩定性的介電陶瓷材料的製備方法，其特徵在 於，包括兩次固相合成工藝，具體為(1)第一次固相合成法預合成基礎材料以BaC03、SrCO3> CaCO3> PbO, Bi203、ZrO2和TiR作為原材料，通過固相合成法分別預合 成基礎材料 BaTiO3^ SrTiO3> PbTi03、Bi2O3 · nTi02 及 CaZrO3 ；預合成的合成條件為升溫速率100 300°C /小時，保溫時間1 5小時，降溫速 率:150 300°C/小時；其中 BaTi03、SrTi0jn CaZrO3 的合成溫度為 1050 1300°C，PbTiO3 和Bi2O3 · nTi02的合成溫度為600 9000C ；(2)第二次固相合成法再合成高溫度穩定性的介電陶瓷材料將所述的步驟(1)中預合成的基礎材料輔以添加劑MgO和MnCO3,按照權利要求1中所 述的配比，通過固相合成法進行再合成，然後再輔之以離心造粒等常規的介電陶瓷材料制 備工藝製備成高溫度穩定性的介電陶瓷材料；再合成的合成條件為升溫速率100 300°C /小時，合成溫度1050 1300°C，保溫 時間1 5小時，降溫速率150 300°C /小時。
3.根據權利要求2所述的一種高溫度穩定性的介電陶瓷材料的製備方法，其特徵在 於，經過兩次固相合成工藝並輔之以離心造粒等常規的工藝而製成的介電陶瓷材料，再經 過3000 30000高斯除鐵處理。
全文摘要
本發明屬於電容器介電材料製備領域，為一種高溫度穩定性的介電陶瓷材料及其製備方法。本發明以BaCO3、SrCO3、CaCO3、PbO、Bi2O3、ZrO2及TiO2為原材料，採用固相合成工藝預合成基礎材料BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3、CaZrO3以及Bi2O3·nTiO2(n＝1～5)；按照配比要求，將基礎材料與輔助添加劑MgO、MnCO3進行調和並採用固相合成工藝進行再合成；後再輔之以常規的介電陶瓷材料製備工藝製成本發明的高溫度穩定性的介電陶瓷材料。由上述介電陶瓷材料製成的陶瓷電容器，經檢測，具有如下的電氣特性溫度變化率|Δε|/ε25≤5％(-25℃～85℃)，介電常數ε25≥1000，損耗角正切值tgδ≤1％，擊穿電壓VBDC≥10kV/mm。
文檔編號C04B35/622GK102030528SQ20091017699
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者吳紀梁, 吳迪, 居湧 申請人:無錫隆傲電子有限公司