一種具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質及其製備方法
2023-12-02 11:25:01 1
專利名稱：一種具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質及其製備方法
技術領域：
本發明屬於適合於高壓直流環境使用的玻璃陶瓷電介質技術領域，特別涉及一種具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質及其製備方法，該玻璃陶瓷電介質適合作為高壓電容器介質。
背景技術：
高壓電容器是高壓、大功率脈衝設備中不可缺少的電子元件之一。隨著高壓設備小型化、輕型化的發展需求，對高壓電容器提出了高耐壓強度、高儲能、高穩定性等要求。目前高壓陶瓷電容器，瓷芯主要為BaTi03、SrTiO3系燒結陶瓷，該類陶瓷介質通常具有較高的介電常數，且介電常數在一定溫度和頻率範圍內可以通過配方的調整或工藝的改進，使得陶瓷介電常數在保持較大值的情況下具有較好的溫度和頻率穩定性。但是由於該類陶瓷介質採用傳統粉末燒結工藝製備，在燒結過程中，氣孔很難完全消除，最終殘留在燒結體中形成孔隙。而孔隙是影響陶瓷擊穿場強的最主要因素之一，因此，採用高溫固相燒結工藝製備的陶瓷通常耐壓性能不高，擊穿場強一般在10kV/mm左右。如何消除孔隙，製備出完全緻密的陶瓷體是提高高壓陶瓷電容器耐壓性能的關鍵。玻璃陶瓷又稱微晶玻璃，是將特定組分的基礎玻璃，通過可控結晶技術製得的一類含有大量微晶陶瓷相和玻璃相的複合材料。它採用完全不同於燒結陶瓷的製備工藝，通過高溫熔融-快速冷卻，製備出完全緻密的玻璃基體，然後在一定溫度下保溫，析出高介電常數的陶瓷相，通過該工藝製備的玻璃陶瓷既具有高介電常數，同時由於消除了孔隙，從而實現了高擊穿場強。鈮酸鹽體系玻璃陶瓷由於其具有高擊穿場強、高介電常數、良好溫度穩定性在高壓陶瓷電容器領域展現出了良好的應用前景。
發明內容
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針對現有的上述技術問題，本發明提供一種具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質及其製備方法。所述具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質，成分組成為:xPb0-yBa0-zSr0-aNb205-bNa20-cSi02-dR,且滿足 O 彡 x 彡 17.1，O 彡 y 彡 17.5，O 彡 z 彡 14.3，10.7 彡 a 彡 34，11彡b彡25.4，28彡c彡47，0彡d彡4.5，其中，R作為輔成分，為MnO2, MgO, CaO, ZnO中的至少一種氧化物，X、Y、z、a、b、C、d為摩爾比。該玻璃陶瓷的製備方法包括以下步驟:I)以 PbO，BaC03、Ba (OH) 2 或 Ba (NO3) 2 中的任意一種，SrC03、Sr (OH) 2 或 Sr (NO3) 2 中的任意一種，Nb2O5, Na2CO3^NaOH或NaNO3中的任意一種，SiO2,以及R為原料,按照所述摩爾比例進行配料，利用翻轉混料機混合4-7小時，然後將混合均勻的原料在1300-1450°C的高溫下保溫2-3小時；2)採用以下任意一種方式獲得玻璃片:將熔融均勻的玻璃液快速倒入400_550°C提前預熱的金屬模具中，成型後放入退火爐中進行去應力退火；或將熔融的玻璃液倒入轉動的壓延機兩滾軸之間，軋制出0.5-lmm厚的玻璃薄片;或將熔融的玻璃液倒入去離子水中進行水淬，製得玻璃碎渣，經球磨製得玻璃粉，然後將其壓製成0.5-lmm厚度的圓薄片；3)將步驟2)中製備的玻璃片進行可控結晶，該過程分為兩步:首先在600-700°C溫度範圍內保溫2-3小時，促使主陶瓷相均勻形核，然後緩慢升溫到800-950°C保溫2_3小時使晶核均勻長大，得到以鈮酸鹽陶瓷相為主的玻璃陶瓷電介質。將結晶後得到的玻璃陶瓷片進行切割、研磨、拋光，製得表面光滑、形狀規則的圓片，在圓片兩面分別鍍一層Ni膜，作為電極。可得到簡易的平行板電容樣品。本發明的優勢在於本發明的玻璃陶瓷電介質為鈮酸鹽體系玻璃陶瓷，具有高擊穿場強、高介電常數、良好的介電常數溫度穩定性，實現了無孔隙，直流擊穿場強可達到50kV/mm以上,介電常數在150-600之間,直流電阻率大於IO11 Ω.m,介電常數的穩定性好,適合作為高壓電容器的介質。
圖1.3、7、8號樣品850°C熱處理的透射電鏡照片。圖2.經過850°C熱處理的13、14號樣品的介電常數隨溫度的變化曲線。
具體實施方式
下面的實施例可以使本專業技術人員更全面的理解本發明，但不以任何方式限制本發明。該實驗例是用於賦予本發明的玻璃陶瓷的成分範圍限定依據的實驗例。首先選擇分析純的PbO，BaCO3, SrCO3, Nb2O5, Na2CO3, SiO2, R為原料，按照表I中的摩爾比例進行分別配料，利用去離子水作為分散介質，氧化鋯球作為研磨介質，在尼龍罐中利用翻轉混料機混合4小時，將混合均勻的漿料在120°C烘箱中烘乾。表I各式樣成分表
權利要求
1.一種具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質，其特徵在於:其成分組成為:XPbO-yBaO-zSr0-aNb205-bNa20-cSi02-dR,且滿足 0 彡 x 彡 17.1，0 彡 y 彡 17.5，0 彡 z 彡 14.3，10.7彡a彡34，11彡b彡25.4，28彡c彡47，0彡d彡4.5，其中，R作為輔成分，為MnO2,MgO, CaO, ZnO中的至少一種氧化物，x、y、z、a、b、c、d為摩爾比。
2.權利要求1所述的玻璃陶瓷電介質的製備方法，其特徵在於該玻璃陶瓷方法包括以下步驟:1)以PbO, BaCO3> Ba(OH)2 或 Ba(NO3)2 中的任意一種，SrCO3> Sr (OH)2 或 Sr (NO3)2 中的任意一種，Nb2O5, Na2CO3^NaOH或NaNO3中的任意一種，SiO2,以及R為原料,按照所述摩爾比例進行配料，利用翻轉混料機混合4-7小時，然後將混合均勻的原料在1300-1450°C的高溫下保溫2-3小時； 2)採用以下任意一種方式獲得玻璃片: 將熔融均勻的玻璃液快速倒入400-550°C提前預熱的金屬模具中，成型後放入退火爐中進行去應力退火； 或將熔融的玻璃液倒入轉動的壓延機兩滾軸之間，軋制出l_2mm厚的玻璃薄片； 或將熔融的玻璃液倒入去離子水中進行水淬，製得玻璃碎渣，經球磨製得玻璃粉，然後將其壓製成l_2mm厚度的圓薄片； 3)將步驟2)中製備的玻璃片進行可控結晶，該過程分為兩步:首先在600-700°C溫度範圍內保溫2-3小時，促使主陶瓷相均勻形核，然後緩慢升溫到800-950°C保溫2_3小時使晶核均勻長大，得到玻璃陶瓷電介質`。
全文摘要
本發明公開了屬於適合於高壓直流環境使用的玻璃陶瓷電介質技術領域的一種具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質及其製備方法，其成分組成為xPbO-yBaO-zSrO-aNb2O5-bNa2O-cSiO2-dR，且滿足0≤x≤17.1，0≤y≤17.5，0≤z≤14.3，10.7≤a≤34，11≤b≤25.4，28≤c≤47，0≤d≤4.5，其中，R作為輔成分，為MnO2，MgO，CaO，ZnO中的至少一種氧化物，x、y、z、a、b、c、d為摩爾比。本發明的玻璃陶瓷電介質具有高擊穿場強、高介電常數、良好的介電常數溫度穩定性，實現了無孔隙，直流擊穿場強可達到50kV/mm以上。
文檔編號C03B32/02GK103102079SQ201110355269
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者杜軍, 張慶猛, 羅君, 唐群, 韓東方, 周毅 申請人:北京有色金屬研究總院