CN101391769B - 反应合成法制备二碳化钡电介质块体材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型碳化物介电材料。它以石墨粉、氧化钡粉或碳酸钡粉或氢氧化钡粉或草酸钡粉末为原料，通过压制成型，在真空条件下高温反应合成二碳化钡(BaC2)绝缘块体材料，生成的块体二碳化钡具有高致密度，杂质少等特征，其结构稳定，含有特殊的碳-碳三键，综合性能良好，且由于其特殊的电子结构和性质，可以作为一类特殊用途的电介质材料应用于电绝缘领域，尤其可应用于特殊场合的电子元器件和输电设施材料领域及相关抗磁材料领域。其生产成本较低，性能优良，整个生产工艺过程简单且容易控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型碳化物介电材料，特别是涉及陶瓷材料合成科学领域。属合金材料制备科学领域。
背景技术
公知的电介质材料研究现状：在人类对电认识和应用的开始阶段，电介质材料就问世了。然而，当时的电介质仅作为分隔电流的绝缘材料来应用。为了改进电绝缘材料的性能，以适应日益发展的电气工程和无线电工程的需要，围绕不同的电介质在不同频率、不同场强的电场作用下所出现的现象进行科学研究。直到20世纪30年代，研究的主要对象是绝缘材料，研究的内容以绝缘体的介电常数、损耗、电导和击穿四大参数为主。理想的电介质是电绝缘的，电介质可以是气态、液态或固态，品种繁多，分布广泛。目前公知的固态电介质材料主要有：
1)氧化物系列
主要包括二氧化钛(钛白粉)，三氧化二铝(刚玉)，二氧化铅，二氧化硅(石英)，二氧化锆，氧化锌等，其合成方法涉及绝大多数陶瓷制备工艺，相关产品广泛应用于介电材料，电绝缘材料等电子陶瓷领域，在电器设备，电子元件，输电设施等有着不同程度的应用，在电子工业领域承担着重要角色。
2)钛酸钡，锆钛酸铅，铌酸锂系列
以钛酸钡，锆钛酸铅，铌酸锂等发展的一系列化合物，涉及的材料种类有几十种到上百种，主要是应用这些材料特殊的物理特性，如这些电介质有较强的电致伸缩效应，即电极化会引起内应力从而发生局域形变，内应力与外电场的平方成正比的二阶效应；较明显的压电效应，即它们在外界压力的作用下通过内部的极化过程，使晶体表面出现表面电荷；较高的热电效应，即由于自发极化电矩的大小与温度有关，当温度变化时所吸附的多余屏蔽电荷就被释放出来；较高的居里温度和存在铁电效应，即存在自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。
3)其它电介质材料
主要包括有机聚合物电介质材料，其它含碳电介质材料和硅化物等，如碳化硅，碳纳米管等。根据每种化合物的特点应用于不同领域和范围。
目前已知的双碳化合物主要研究对象为二碳化钙，本课题组的前期研究工作表明，二碳化钡与二碳化钙有着截然不同的性质。公知的二碳化钡首次合成采用了氧化钡和碳酸钡高温合成，而深入的结构研究和理论计算总结都是近年完成的。公知的碱金属二碳化物都含有非常特殊的碳-碳三键，这是一种非常特殊的化学键，通常仅存在于重要的工业原料乙炔分子中，而固体中存在的碳-碳三键仅常见于电石(二碳化钙)，而电石作为一种工业原料，本身的性质很不稳定，在常温下即可和水发生反应，生成乙炔气体，在材料应用中的价值微弱。二碳化钡作为一种含碳-碳三键的特殊化合物，在常温常压下稳定存在，且由于其特殊的电子结构和性质，可作为一类特殊用途的电介质材料应用于电绝缘领域。
本发明的二碳化钡电介质材料突破了传统的限制，是一种可以在较宽范围内使用的电绝缘材料，其形成结构稳定，综合性能良好，尤其可应用于特殊场合的电子元器件和输电设施材料领域。其生产成本较目前公知的制备技术低，制备的产品致密度高，含杂质少，性能优良，整个生产工艺过程简单且容易控制，可形成大批量生产。相关文献和专利查新表明，本文所提到的二碳化钡电介质材料并未在国际国内的电介质领域公开报道，相关科学和技术研究目前尚缺乏，在世界范围内并未有关于电介质材料方面的专利申请。
发明内容 本发明针对目前电介质材料普遍为氧化物或复合氧化物及含氧元素材料的不足，开发了新型碳化物电介质材料，该材料不含过渡族金属元素，开发成本较低，是对目前电介质材料大家庭的一个重要补充，在一定程度上减少了稀缺元素的使用，使原材料的依赖度大大降低。
本发明目的是提出一种在强磁场和电场条件下应用的新型电绝缘材料，该材料以石墨粉(C)、氧化钡粉(BaO)或碳酸钡粉(BaCO3)或氢氧化钡(Ba(OH)2)粉或草酸钡(Ba2C2O3)粉末为原料，通过压制成型，在真空条件下高温反应合成二碳化钡(BaC2)绝缘块体材料，生成的块体二碳化钡具有较高的抗电磁极化性能，其形成结构稳定，综合性能良好，在大功率磁场和电场条件下仍具有较好的电绝缘性能，可应用于特殊的强磁场和电场条件下的绝缘器件及相关抗磁材料领域等。其生产成本较低，性能优良，整个生产工艺过程简单且容易控制，制备的碳化物晶粒尺寸均匀，致密度高，杂质少。
本发明是通过下面的方案实现的：将石墨粉(C)、氧化钡粉(BaO)或碳酸钡粉(BaCO3)或氢氧化钡(Ba(OH)2粉末或草酸钡(Ba2C2O3)粉或其混合粉作为原料，经配料后在混料机中混合均匀，并用钢模压制成素坯，素坯需要一定的强度和形状，然后将素坯送入真空炉中进行反应合成，制备过程严格控制原料成分的纯度以及素坯组成的均匀性，将压制成的素坯在真空条件和高温下进行反应合成，提纯后将制得的材料在高能球磨机中进一步细化，筛选提纯后重新进行钢模压制，并在冷等静压机中进一步压制，放入烧结炉中进行样品烧结。
所述的石墨粉(C)的重量百分比占总重量的3％-15％，所述原料粒度小于200微米。
所述在混料机中的混料时间为2-6小时。
所述的钢模压制成素坯是指钢模双向压制两次，第一次压力为50-150MPa；第二次压力为400-600Mpa。
所述的冷等静压的压力为250-400Mpa。
所述的在真空条件和高温下进行反应合成的条件是：温度为1200-1450℃，时间为3-8小时，真空度为10-6-10-4Pa。
所述的高能球磨机行星式高能球磨机，磨球和磨罐采用刚玉或玛瑙材料制备，球磨气氛采用氩气保护，转速800-1200rad/min，球磨时间10-20小时。
所述的烧结温度1400-1700℃，烧结时间3-6小时。
与公知技术相比所具有的优点及积极效果：
本研究团队的前期研究工作表明，本专利申请的反应合成法制备二碳化钡电介质块体材料是一种尚未有报道的新型电绝缘材料，其主要特点是可在较强磁场和电场作用下使用，整个体系内不含有过渡族金属元素，漏电少，绝缘性能佳。针对目前电介质材料普遍为氧化物或复合氧化物等，开发了新型碳化物电介质材料，该材料不含过渡族金属元素，开发成本较低，是对目前电介质材料大家庭的一个重要补充。该电介质材料制备工艺简单，成本得到有效降低，并在一定程度上减少了稀缺元素的使用，使原材料的依赖度大大降低，从而使得材料制备的准备阶段缩短，降低了工艺复杂性和生产成本。其较好的电绝缘性能是对目前电介质材料使用范围的提高和原材料来源广泛性的一个补充，使得该类材料在电介质材料领域的使用范围大大增加。
本发明的二碳化钡电介质块体材料是一种尚未有报道的新型电介质材料，其含有非常特殊的碳-碳三键，在常温常压下稳定存在，其形成结构稳定，综合性能良好，且由于其特殊的电子结构和性质，可以作为一类特殊用途的电介质材料应用于电绝缘领域，尤其可应用于特殊场合的电子元器件和输电设施材料领域。本发明的原料来源广泛，可采用氢氧化钡或碳酸钡或草酸钡和石墨粉合成，块体材料具有致密度高，杂质少，特定场合性能优良等特点，可满足不同领域的要求。本发明的原料准备简单，成本较低，整个生产工艺过程简单且容易控制，可形成大批量生产。
附图说明
下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
图1是本发明工艺流程图。
具体实施方式
图1是本发明的工艺流程图，即二碳化钡电介质块体材料制备工艺。原料经配料后在混料机中混合均匀，并用钢模压制成素坯(压强较低，成型即可)，素坯需要一定的强度和形状，然后将素坯送入真空炉中进行反应合成，制备过程严格控制原料成分的纯度以及素坯组成的均匀性，混料需要达到一定速度，使得石墨粉，粘结剂和氧化钡粉(或氢氧化钡或碳酸钡或草酸钡)能完全分散均匀。将压制成的素坯在真空和高温条件下进行反应合成，控制工艺参数，达到制备所需要求的二碳化钡电介质材料，将制的得的材料在高能球磨机中制粉，进一步细化二碳化钡的颗粒，筛选提纯后重新进行钢模双向压制(压制力较大)，在冷等静压机中进一步压制，放入烧结炉中进行样品烧结。
具体实施工艺与方法：
一、原料成分、粒度及其所占重量百分比
石墨粉(C)、氧化钡粉(BaO)或碳酸钡粉(BaCO3)或氢氧化钡(Ba(OH)2)粉末；粒度小于200微米；半固态有机粘结剂；表面活性剂；固体粘结剂；石墨粉(C)占总重量的3％-15％，半固态有机粘结剂占总重量的2％-10％，余量为含钡的粉末，其中的一种或几种混合。
二、技术条件
①混料时间2-6小时；
②素坯成形压力
钢模双向压制(第一次)：50-150MPa；
钢模双向压制(第二次)：400-600MPa；
冷等静压成形：250-400MPa；
③反应合成温度：1200-1450℃，时间3-8小时；在真空炉中进行，真空度约为10-6-10-4Pa；
④机械法将制得的样品制粉，将剩余的石墨粉分离，去除二碳化钡粉中的其它物质，将筛选好的粉末与表面活性剂放入行星式高能球磨机，磨球和磨罐采用刚玉或玛瑙材料制备，球磨气氛采用氩气保护，转速800-1200rad/min，球磨时间10-20小时；
⑤将制得的超细二碳化钡粉末添加适量的固体粘结剂进行素坯压制，并用冷等静压设备进一步压制，将制备好的初始样品置入烧结炉内烧结，烧结温度1400-1700℃，烧结时间3-6小时。
实施例1
按12％的石墨粉(重量百分比)、80％的氧化钡粉(重量百分比)，8％半固态粘结剂(重量百分比)，经过2小时混合后，在钢模中双向压制成形成为素坯，素坯成形压力为60MPa；素坯经过1250℃、5小时真空炉反应合成成为含有较多孔洞的锭坯；锭坯机械粉碎后筛选提纯，用酒精洗條干净并烘干，得到较大的二碳化钡(BaC2)颗粒，将收集到的二碳化钡(BaC2)颗粒与适量的表面活性剂放入行星式高能球磨机，在刚玉球磨罐中通入氩气保护，转速800rad/min，球磨时间10小时，将收集的细BaC2粉末和一定量的固体粘结剂在钢模中双向压制，压制成型压力350MPa，并用冷等静压设备进一步压制，压制成型压力300MPa，将样品放入烧结炉中烧结，烧结温度1500℃，烧结时间4小时，取出得到晶粒尺寸分布均匀，杂质少的二碳化钡电介质块体材料。
实施例2
按6％的石墨粉(重量百分比)、84％的碳酸钡粉(重量百分比)，10％半固态粘结剂(重量百分比)，经过3小时混合后，在钢模中双向压制成形成为素坯，素坯成形压力为100MPa；素坯经过1350℃、6小时真空炉反应合成成为含有较多孔洞的锭坯；锭坯机械粉碎后筛选提纯，用酒精洗條干净并烘干，得到较大的二碳化钡(BaC2)颗粒，将收集到的二碳化钡(BaC2)颗粒与适量的表面活性剂放入行星式高能球磨机，在刚玉球磨罐中通入氩气保护，转速1000rad/min，球磨时间16小时，将收集的细BaC2粉末和一定量的固体粘结剂在钢模中双向压制，压制成型压力300MPa，并用冷等静压设备进一步压制，压制成型压力250MPa，将样品放入烧结炉中烧结，烧结温度1600℃，烧结时间5小时，取出得到晶粒尺寸分布均匀，杂质少的二碳化钡电介质块体材料。
实施例3
按9％的石墨粉(重量百分比)、82％的氢氧化钡粉(重量百分比)，9％半固态粘结剂(重量百分比)，经过2小时混合后，在钢模中双向压制成形为素坯，素坯成形压力为150MPa；素坯经过1300℃、8小时真空炉反应合成为含有较多孔洞的锭坯；锭坯机械粉碎后筛选提纯，用酒精洗條干净并烘干，得到较大的二碳化钡(BaC2)颗粒，将收集到的二碳化钡(BaC2)颗粒与适量的表面活性剂放入行星式高能球磨机，在刚玉球磨罐中通入氩气保护，转速1200rad/min，球磨时间20小时，将收集的细BaC2粉末和一定量的固体粘结剂在钢模中双向压制，压制成型压力350MPa，并用冷等静压设备进一步压制，压制成型压力250MPa，将样品放入烧结炉中烧结，烧结温度1700℃，烧结时间6小时，取出得到晶粒尺寸分布均匀的二碳化钡电介质块体材料。
Claims (7)
1.一种反应合成法制备二碳化钡电介质块体材料的方法，其特征在于：将石墨粉、氧化钡粉或碳酸钡粉或氢氧化钡粉末或草酸钡粉或其混合粉作为原料，经配料后在混料机中混合均匀，并用钢模压制成素坯，素坯需要一定的强度和形状，然后将素坯送入真空炉中进行反应合成，制备过程严格控制原料成分的纯度以及素坯组成的均匀性，将压制成的素坯在真空条件和在1200-1450℃高温下进行反应合成，提纯后将制得的材料在高能球磨机中进一步细化，筛选提纯后重新进行钢模压制，并在冷等静压机中进一步压制，放入烧结炉中进行样品烧结；
所述的石墨粉的重量占总重量的3％-15％，所述原料粒度小于200微米。
2.根据权利要求1所述的反应合成法制备二碳化钡电介质块体材料的方法，其特征在于：所述在混料机中的混合时间为2-6小时。
3.根据权利要求1所述的反应合成法制备二碳化钡电介质块体材料的方法，其特征在于：所述的钢模压制成素坯是指钢模双向压制两次，第一次压力为50-150MPa；第二次压力为400-600MPa。
4.根据权利要求1所述的反应合成法制备二碳化钡电介质块体材料的方法，其特征在于：所述的在冷等静压中进一步压制的压力为250-400MPa。
5.根据权利要求1所述的反应合成法制备二碳化钡电介质块体材料的方法，其特征在于：所述的在真空条件和高温下进行反应合成的条件是：温度为1200-1450℃，时间为3-8小时，真空度为10-6-10-4Pa。
6.根据权利要求1所述的反应合成法制备二碳化钡电介质块体材料的方法，其特征在于：所述的高能球磨机为行星式高能球磨机，磨球和磨罐采用刚玉或玛瑙材料制备，球磨气氛采用氩气保护，转速800-1200rad/min，球磨时间10-20小时。
7.根据权利要求1所述的反应合成法制备二碳化钡电介质块体材料的方法，其特征在于：所述的烧结温度1400-1700℃，烧结时间3-6小时。
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