CN101747051A - CaCu3Ti4O12陶瓷材料的低温烧结方法 - Google Patents

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Abstract

一种CaCu3Ti4O12陶瓷材料的低温烧结方法，以化学纯或分析纯的CaCO3、CuO、TiO2为主要原料，所述方法在CaCO3、CuO、TiO2为主要原料中同时添加占总质量分数为2-8％的B2O3，或者占总质量分数为3-12％的硼酸；所有原料球磨混合均匀后，首先在870℃-900℃时煅烧10-12小时，然后成型并在900℃-920℃烧结8-12小时后随炉冷却，得到纯相的CaCu3Ti4O12介电陶瓷。本发明适用于CCTO陶瓷材料的低温烧结工艺。

Description

CaCu3Ti4O12陶瓷材料的低温烧结方法
技术领域
本发明涉及一种CaCu3Ti4O12陶瓷材料低温烧结的方法，属电子元器件材料技术领域。
背景技术
CaCu3Ti4O12(CCTO)是一种具有钙钛矿结构的钛酸盐，这类化合物具有很高的介电常数(104)、强烈的非线性电流-电压性质和良好的温度特性，因此，CCTO在铁电、压电、大功率电容器、开关和气敏材料等方面有很好的应用前景。CCTO介电陶瓷材料以其高介电常数、高热稳定性和强烈的非线性等优异性能，在科学研究和实际应用中成为当前介电材料领域研究的热点。目前，通常采用制备CCTO介电陶瓷材料的方法是采用固相反应法，该方法的合成温度要保持在1000℃左右。《人工晶体学报》第36卷第3期文章“高介电常数CaCu3Ti4O12陶瓷粉体的合成与烧结”报道了其合成与烧结的方法，在温度高于1000℃时，CaCO3、CuO和TiO2才能完全反应生成CCTO，并且在1100℃烧结时才能得到介电性能优异的CCTO陶瓷。
发明内容
本发明的目的，是提供一种低温烧结CaCu3Ti4O12陶瓷的方法，使之能在900℃～920℃的温度条件下实现CCTO陶瓷的低温烧结，通过该方法烧结生成的CCTO陶瓷有高的介电常数和低介电损耗。
本发明目的实现的技术方案是：
以化学纯或分析纯的CaCO3、CuO、TiO2为主要原料，按化学计量比1∶3∶4称量配料，同时加入占总质量数为2-8％的B2O3(或者3-12％的H3BO3)，然后上述原料经过湿法球磨混合均匀后，在870℃-900℃下煅烧10小时，得到CCTO陶瓷粉体。将所得的CCTO陶瓷粉体压制成型后，在900℃-920℃烧结8-10小时，所得的陶瓷在100-1M Hz的频率内，具有高的介电常数和低介电损耗。本发明CCTO陶瓷材料的烧结工艺如图1所示。本方法实现了在CCTO陶瓷的低温烧结，可以在CCTO陶瓷材料应用时实现与Cu、Ag电极的低温共烧。
本发明与现有技术比较的有益效果是，采用本发明方法烧结的CCTO陶瓷不仅能够达到常规方法烧结CCTO所具有的高介电常数和低介电损耗，而且较之常规方法烧结CCTO的温度要降低200℃左右，这对于能耗降低是具有重要意义的。本发明还可在CCTO陶瓷材料应用时实现与Cu、Ag电极的低温共烧。
本发明适用于CCTO陶瓷材料的低温烧结工艺。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图
图2为实施例1烧结样品进行XRD衍射分析后所得衍射图谱(a)与标准图谱相符的比较
图3为实施例3所得陶瓷物相的XRD衍射图谱(b)
图4为实施例4所得陶瓷物相的XRD衍射图谱(c)
图5为常规方法下低温(92O℃)烧结的衍射图谱(d)比较
具体实施方式
实施例1：
将分析纯的CaCO3、CuO、TiO2按摩尔比1∶3∶4称料，计算生成的CCTO陶瓷粉体，然后按生成CCTO的质量，再加入占总质量数为2％的B2O3。将配好的原料放入球磨罐中，湿法球磨24小时使原料混合均匀。将混合好的粉料在烘箱中110℃烘干后，放入氧化铝坩埚中，870℃煅烧10小时，得到陶瓷粉末。所得的陶瓷粉末在150Mpa下压制成直径为15mm、厚度为2mm的圆片状坯料，然后在920℃烧结10小时，随炉冷却，烧结样品进行XRD衍射分析，所得衍射图谱(a)与标准图谱(CJDPS No.75-1288)相符，如图2所示，由此证明已得到CCTO相陶瓷。烧结所得的样品两底面镀银制成电极后，对其介电性能进行测试。结果如表1所示。
表1实施例1样品在不同频率下的介电性能测试表
  频率(kHz)   0.1   1   10   100   1000
  相对介电常数   2585   2432   2315   2198   2046
  介电损耗   0.058   0.043   0.047   0.083   0.098
实施例2：
将分析纯的CaCO3、CuO、TiO2按摩尔比1∶3∶4称料，计算生成的CCTO陶瓷粉体，然后按生成CCTO的质量，再加入占总质量分数为4％的B2O3。将配好的原料放入球磨罐中，湿法球磨24小时使原料混合均匀。将混合好的粉料在烘箱中110℃烘干后，放入氧化铝坩埚中，900℃煅烧10小时得到陶瓷粉末。所得的陶瓷粉末在150Mpa下压制成直径为15mm、厚度为2mm的圆片状坯料，然后在920℃烧结8小时，随炉冷却。烧结所得的样品两底面镀银制成电极后，对其介电性能进行测试。结果如表2所示。
表2实施例2样品在不同频率下的介电性能测试表
  频率(kHz)   0.1   1   10   100   1000
  相对介电常数   2836   2654   2507   2386   2203
  介电损耗   0.039   0.034   0.044   0.086   0.188
实施例3：
将分析纯的CaCO3、CuO、TiO2按摩尔比1∶3∶4称料，计算生成的CCTO陶瓷粉体，然后按生成CCTO的质量，再加入占总质量分数为6％的B2O3。将配好的原料放入球磨罐中，湿法球磨24小时使原料混合均匀。将混合好的粉料在烘箱中110℃烘干后，放入氧化铝坩埚中，900℃煅烧10小时得到陶瓷粉末。所得的陶瓷粉末在150Mpa下压制成直径为15mm、厚度为2mm的圆片状坯料，然后在900℃烧结8小时，随炉冷却。所得陶瓷物相的XRD衍射图谱(b)，图3所示，为纯相的CCTO。
烧结所得的样品两底面镀银制成电极后，对其介电性能进行测试。结果如表3所示。
表3实施例3样品在不同频率下的介电性能测试表
  频率(kHz)   0.1   1   10   100   1000
  相对介电常数   7548   4123   3672   3476   3349
  介电损耗   0.091   0.084   0.076   0.093   0.105
实施例4：
将分析纯的CaCO3、CuO、TiO2按摩尔比1∶3∶4称料，计算生成的CCTO陶瓷粉体，然后按生成CCTO的质量，再加入占总质量分数为10％的硼酸。将配好的原料放入球磨罐中，湿法球磨24小时使原料混合均匀。将混合好的粉料在烘箱中110℃烘干后，放入氧化铝坩埚中，870℃煅烧10小时得到陶瓷粉末。所得的陶瓷粉末在150Mpa下压制成直径为15mm、厚度为2mm的圆片状坯料，然后在920℃烧结8小时，随炉冷却。所得陶瓷物相的XRD衍射图谱(c)，图3所示，为纯相的CCTO。
烧结所得的样品两底面镀银制成电极后，对其介电性能进行测试。结果如表4所示。
表4实施例4样品在不同频率下的介电性能测试表
  频率(kHz)   0.1   1   10   100   1000
  相对介电常数   7643   4234   3726   3636   3492
  介电损耗   0.089   0.082   0.068   0.083   0.101
对比实施例：
本对比实施例按常规工艺备料烧结，但将煅烧温度按870℃煅烧10小时，烧结温度按920℃烧结10小时，观察烧结样品的图谱分析和测试其介电性能，再与本发明进行比较。
将分析纯的CaCO3、CuO、TiO2按摩尔比1∶3∶4称料，然后放入球磨罐中，湿法球磨24小时使原料混合均匀。将混合好的粉料在烘箱中110℃烘干后，放入氧化铝坩埚中，870℃煅烧10小时。得到陶瓷粉末，在150Mpa下压制成直径为15mm、厚度为2mm的圆片状坯料，然后在920℃烧结10小时，随炉冷却，烧结样品进行XRD衍射分析，如图4所示，所得衍射图谱(d)中，除含有CCTO的衍射图谱外，还含有CuO、TiO2、CaTiO3等物质衍射图谱，所得陶瓷样品不是纯相的CCTO陶瓷。烧结所得的样品两底面镀银制成电极后，对其介电性能进行测试。结果如表5所示，由表中数据可见，对比实施例样品的介电性能比较低。
表5对比实施例样品在不同频率下的介电性能测试表
  频率(kHz)   0.1   1   10   100   1000
  相对介电常数   548   423   367   347   309
  介电损耗   0.131   0.094   0.072   0.083   0.305

Claims (4)

1.一种CaCu3Ti4O12陶瓷材料的低温烧结方法，以化学纯或分析纯的CaCO3、CuO、TiO2为主要原料，按化学计量比1∶3∶4称量配料，其特征是，所述方法在CaCO3、CuO、TiO2为主要原料的称量配料中同时添加B2O3或者硼酸，上述原料球磨混合均匀后，首先在870℃-900℃时煅烧10-12小时，然后成型并在900℃-920℃烧结，得到纯相的CaCu3Ti4O12介电陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种CaCu3Ti4O12陶瓷材料的低温烧结方法，其特征是，所述添加的B2O3量为总质量的2-8％。
3.根据权利要求1所述的一种CaCu3Ti4O12陶瓷材料的低温烧结方法，其特征是，所述添加的硼酸为总质量的3-12％。
4.根据权利要求1所述的一种CaCu3Ti4O12陶瓷材料的低温烧结方法，其特征是，所述的陶瓷粉末成型后，在900℃-920℃烧结8-10小时后，随炉冷却。
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