CN102060522A

CN102060522A - 一种陶瓷电容器的电介质及其制备方法

Info

Publication number: CN102060522A
Application number: CN 201010538725
Authority: CN
Inventors: 李言; 黄瑞南; 林榕
Original assignee: SHANTOU HIGH-NEW DEVELOPMENT ZONE SONGTIAN ENTERPRISE Co Ltd
Current assignee: SHANTOU HIGH-NEW DEVELOPMENT ZONE SONGTIAN ENTERPRISE Co Ltd
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: CN102060522B

Abstract

本发明提供一种陶瓷电容器的电介质，由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃54-91％，SrTiO₃2-13％，BaZrO₃2-15％，Nb₂O₅0.05-1％，CeO₂0.03-1.0％，ZnO 0.1-1.0％，Co₂O₃0.03-1.0％，BaSiO₃2-15％。本发明还提供上述陶瓷电容器的电介质的一种制备方法。本发明的陶瓷电容器的电介质介电常数高，耐电压高，在制备和使用过程中对环境无污染，并且能降低陶瓷电容器的成本，适合于制备单片陶瓷电容器和多层片式陶瓷电容器。

Description

一种陶瓷电容器的电介质及其制备方法

技术领域

本发明涉及电容器的电介质，具体地说，涉及一种陶瓷电容器的电介质及其制备方法。

背景技术

彩电、计算机、通迅、航空航天、导弹、航海等领域迫切需要击穿电压高、温度稳定性好、可靠性高、小型化、大容量的陶瓷电容器。为了实现陶瓷电容器的小型化和大容量，要求陶瓷电容器的电介质具有高介电常数；为了实现陶瓷电容器的击穿电压高，要求陶瓷电容器的电介质耐电压高；同时，随着人们对身体健康及环境保护的日益重视，要求陶瓷电容器的电介质在制备、使用及废弃的过程中不会对人体和环境造成危害，因而要求陶瓷电容器的电介质不含铅、镉等金属元素。

目前，通常用于生产高压陶瓷电容器的电介质中含有一定量的铅，这不仅在陶瓷电容器的生产、使用和废弃过程中对人体和环境造成危害，而且对陶瓷电容器的性能稳定性也有不良影响。例如，中国期刊《江苏陶瓷》1999年第2期在“BaTiO₃系低温烧成高介X7R电容器瓷料”一文中公开了一种BaTiO₃中低温烧成高介满足X7R特性的电容器瓷料介质，该介质所含的低熔点玻璃料是硼硅酸铅低熔点玻璃，介质是含铅的，并且未涉及耐电压，介电常数小于3500。又如，中国发明专利申请公开说明书CN1212443A(发明名称为“高介高性能中温烧结片式多层瓷介电容器瓷料”，专利申请号为97117286.2)，所公开的陶瓷电容器瓷料虽然介电常数高(介电常数≥16000)，但耐电压较差(耐电压为700V/mm)，另外其组分含有一定量的铅。还有，中国发明专利申请公开说明书CN1212444A(发明名称为“高性能中温烧结片式多层瓷介电容器瓷料”，专利申请号为97117287.0)，所公开的电容器瓷料介电常数太小(介电常数为3000)，介质损耗小于1.5％，且耐电压较低(耐电压为860V/mm)，另外其组分含有一定量的铅。

有些陶瓷电容器的电介质虽然不含铅，在陶瓷电容器的生产、使用和废弃过程中对人体和环境的危害较小，但是其介电常数太小，且/或耐电压较低。例如，中国期刊《电子元件与材料》1989年第5期在“高介高压2B₄介质陶瓷”一文中公开了一种高压陶瓷电容器介质材料，这种介质材料的介电常数太小(介电常数ε＝2500-2600)，tgδ＝0.5-1.4％，耐压性较差(直流耐压强度为7KV/mm)。又如，中国发明专利申请公开说明书CN1306288A(发明名称为“一种高压陶瓷电容器介质”，专利申请号为00112050.6)公开的电容器陶瓷介质虽属无铅介质材料，其直流耐电压可以达到10kV/mm以上，但介电常数太小(介电常数为1860-3300)，烧结温度较高(烧结温度为1260-1400℃)。还有，中国发明专利申请公开说明书CN1619726A(发明名称为“一种中低温烧结高压陶瓷电容器介质”，专利申请号为200410041863.x)，其各组分的重量百分比含量为：BaTiO₃60-90％、SrTiO₃1-20％、CaZrO₃0.1-10％、Nb₂O₅0.01-1％、MgO 0.01-1％、CeO₂0.01-0.8％、ZnO 0.01-0.6％、Co₂O₃0.03-1％、铋锂固溶体0.05-10％，其介电常数为2000-3000，耐电压为6kV/mm以上，介电常数和耐电压性仍不够理想。

综上所述，现有的各种用于陶瓷电容器的电介质无法同时满足高介电常数、高耐电压及环保等方面的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种陶瓷电容器的电介质，这种电介质介电常数高，耐电压高，并且在使用过程中对环境无污染；本发明所要解决的另一技术问题是提供上述陶瓷电容器的电介质的一种制备方法，这种制备方法成本较低，并且在制备过程中对环境无污染。采用的技术方案如下：

一种陶瓷电容器的电介质，其特征在于由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃54-91％，SrTiO₃2-13％，BaZrO₃2-15％，Nb₂O₅0.05-1％，CeO₂0.03-1.0％，ZnO 0.1-1.0％，Co₂O₃0.03-1.0％，BaSiO₃2-15％。

在一种具体方案中，优选上述陶瓷电容器的电介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃66-82％，SrTiO₃3-13％，BaZrO₃3-9％，Nb₂O₅0.5-0.8％，CeO₂0.3-0.6％，ZnO 0.3-0.7％，Co₂O₃0.3-0.7％，BaSiO₃4-10％。

在另一种具体方案中，优选上述陶瓷电容器的电介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃70-85％，SrTiO₃3-13％，BaZrO₃3-8％，Nb₂O₅0.5-0.8％，CeO₂0.3-0.6％，ZnO 0.3-0.7％，Co₂O₃0.5-0.7％，BaSiO₃4-10％。

在另一种具体方案中，优选上述陶瓷电容器的电介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃73-88％，SrTiO₃3-13％，BaZrO₃3-8％，Nb₂O₅0.5-0.8％，CeO₂0.3-0.6％，ZnO 0.3-0.7％，Co₂O₃0.3-0.7％，BaSiO₃4-10％。

优选上述BaTiO₃、SrTiO₃、BaZrO₃、BaSiO₃分别采用常规的化学原料以固相法合成。例如：

上述BaTiO₃(钛酸钡)可采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO₃和TiO₂，然后对BaCO₃和TiO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和TiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到BaTiO₃。得到的BaTiO₃经研磨并过200目筛，备用。

上述SrTiO₃(钛酸锶)可采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备SrCO₃和TiO₂，然后对SrCO₃和TiO₂进行研磨并混合均匀，再将SrCO₃和TiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到SrTiO₃。得到的SrTiO₃经研磨并过200目筛，备用。

上述BaZrO₃(锆酸钡)可采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO₃和ZrO₂，然后对BaCO₃和ZrO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和ZrO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1270℃下保温120分钟，得到BaZrO₃。得到的BaZrO₃经研磨并过200目筛，备用。

上述BaSiO₃(硅酸钡)可采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO₃和SiO₂，然后对BaCO₃和SiO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和SiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1150℃下保温120分钟，得到BaSiO₃。得到的BaSiO₃经研磨并过200目筛，备用。

本发明还提供上述陶瓷电容器的电介质的一种制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

(1)按比例配备BaTiO₃、SrTiO₃、BaZrO₃、Nb₂O₅、CeO₂、ZnO、Co₂O₃和BaSiO₃；

(2)将步骤(1)所配备的BaTiO₃、SrTiO₃、BaZrO₃、Nb₂O₅、CeO₂、ZnO、Co₂O₃和BaSiO₃粉碎并混合均匀，得到混合料；

可以将上述各种原料分别粉碎后，再混合均匀；

也可以将上述各种原料混合后，再进行粉碎；随后，边粉碎边混合，或完成粉碎后再使各种原料混合均匀；

粉碎设备可采用球磨机，也可以采用其它粉碎设备；

优选采用行星球磨机对配备好的原料进行球磨，被球磨的原料、所用水、所用球的重量比例为：原料∶球∶水＝1∶3∶(0.6-1)，球磨过程持续4-8小时；

(3)对步骤(2)得到的混合料进行烘干；烘干的目的是去除混合料中的水分；

优选烘干温度为110℃，烘干时间为12小时；

(4)向经步骤(3)烘干的混合料中加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料；

上述粘合剂可采用聚乙烯醇水溶液；优选粘合剂采用浓度为10％(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤(3)烘干的混合料的重量的8-10％；

(5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

可采用干压成型技术将颗粒状物料压制成生坯片；优选在20-30Mpa的压力下对颗粒状物料进行干压成型，得到生坯片；干压成型的工作温度通常为室温；

(6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1230-1250℃的环境下，保温1-4小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到陶瓷电容器的电介质。得到的电介质可用于制作陶瓷电容器。

优选上述步骤(1)所配备的BaTiO₃、SrTiO₃、BaZrO₃、BaSiO₃采用常规的化学原料用固相法分别合成，具体合成方法(即制备方法)如上文所述。

将上述陶瓷电容器的电介质置于温度为780-870℃环境下，保温15分钟进行烧银，形成银电极，再焊接引线并进行包封，即得陶瓷电容器。

本发明的陶瓷电容器的电介质具有如下优点：不含铅和镉，在使用过程中对环境无污染；介电常数高(介电常数达18000以上)，由于介电常数高，因而能实现陶瓷电容器的大容量和小型化，符合陶瓷电容器的发展趋势，能降低陶瓷电容器的成本；耐电压高，直流耐电压可达12kV/mm以上，交流耐电压可达5kV/mm以上，能扩大陶瓷电容器的应用范围；电容温度变化率小，符合Y5V特性的要求，而且介质损耗小(介质损耗小于1％)，因而陶瓷电容器在使用过程中性能稳定性好，安全性高。本发明的陶瓷电容器的电介质的制备方法具有如下优点：烧结温度较低(采用中温烧结，烧结温度为1230-1250℃)，大大降低高压陶瓷电容器的成本；并且利用不含铅和镉的电容器陶瓷普通化学原料制备陶瓷电容器的电介质，在制备过程中对环境无污染。总而言之，本发明的陶瓷电容器的电介质介电常数高，耐电压高，在制备和使用过程中对环境无污染，并且能降低陶瓷电容器的成本，适合于制备单片陶瓷电容器和多层片式陶瓷电容器。

具体实施方式

实施例1

首先，以固相法合成BaTiO₃、SrTiO₃、BaZrO₃、BaSiO₃。

BaTiO₃(钛酸钡)采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO₃和TiO₂，然后对BaCO₃和TiO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和TiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到BaTiO₃。得到的BaTiO₃经研磨并过200目筛，备用。

SrTiO₃(钛酸锶)采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备SrCO₃和TiO₂，然后对SrCO₃和TiO₂进行研磨并混合均匀，再将SrCO₃和TiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到SrTiO₃。得到的SrTiO₃经研磨并过200目筛，备用。

BaZrO₃(锆酸钡)采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO₃和ZrO₂，然后对BaCO₃和ZrO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和ZrO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1270℃下保温120分钟，得到BaZrO₃。得到的BaZrO₃经研磨并过200目筛，备用。

BaSiO₃(硅酸钡)采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO₃和SiO₂，然后对BaCO₃和SiO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和SiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1150℃下保温120分钟，得到BaSiO₃。得到的BaSiO₃经研磨并过200目筛，备用。

然后，依次按下述步骤制备陶瓷电容器的电介质：

参照表1，配备的各种原料的重量百分比如下：BaTiO₃81％，SrTiO₃5.5％，BaZrO₃7％，Nb₂O₅0.5％，CeO₂0.4％，ZnO 0.4％，Co₂O₃0.6％，BaSiO₃4.6％；

本实施例中，采用行星球磨机对配备好的原料进行球磨，被球磨的原料、所用水、所用球的重量比例为：原料∶球∶水＝1∶3∶0.8，球磨过程持续6小时；

(3)对步骤(2)得到的混合料进行烘干，去除混合料中的水分；

本实施例中，烘干温度为110℃，烘干时间为12小时；

粘合剂采用浓度为10％(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤(3)烘干的混合料的重量的10％；

(5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

本实施例在20-30Mpa的压力下对颗粒状物料进行干压成型，得到生坯片；

(6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1250℃的环境下，保温3小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到陶瓷电容器的电介质。

实施例2-9

实施例2-9中，各种原料的用量如表1所示。利用上述原料制备陶瓷电容器的电介质的方法可参考实施例1，各步骤中的温度、时间、压力等工艺条件可根据实际情况进行调整。

上述实施例1-9制得的陶瓷电容器的电介质的性能参数如表2所示。

表1本发明各实施例的原料配比

表2本发明各实施例制得的陶瓷电容器的电介质的性能参数

Claims

1.一种陶瓷电容器的电介质，其特征在于由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃ 54-91％，SrTiO₃ 2-13％，BaZrO₃ 2-15％，Nb₂O₅ 0.05-1％，CeO₂ 0.03-1.0％，ZnO 0.1-1.0％，Co₂O₃ 0.03-1.0％，BaSiO₃ 2-15％。

2.根据权利要求1所述的陶瓷电容器的电介质，其特征在于所述陶瓷电容器的电介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃66-82％，SrTiO₃3-13％，BaZrO₃3-9％，Nb₂O₅0.5-0.8％，CeO₂0.3-0.6％，ZnO 0.3-0.7％，Co₂O₃0.3-0.7％，BaSiO₃4-10％。

3.根据权利要求1所述的陶瓷电容器的电介质，其特征在于所述陶瓷电容器的电介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃70-85％，SrTiO₃3-13％，BaZrO₃3-8％，Nb₂O₅0.5-0.8％，CeO₂0.3-0.6％，ZnO 0.3-0.7％，Co₂O₃0.5-0.7％，BaSiO₃4-10％。

4.根据权利要求1所述的陶瓷电容器的电介质，其特征在于所述陶瓷电容器的电介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃73-88％，SrTiO₃3-13％，BaZrO₃3-8％，Nb₂O₅0.5-0.8％，CeO₂0.3-0.6％，ZnO 0.3-0.7％，Co₂O₃0.3-0.7％，BaSiO₃4-10％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的陶瓷电容器的电介质，其特征在于所述BaTiO₃采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO₃和TiO₂，然后对BaCO₃和TiO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和TiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到BaTiO₃。

6.根据权利要求1-4任一项所述的陶瓷电容器的电介质，其特征在于所述SrTiO₃采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备SrCO₃和TiO₂，然后对SrCO₃和TiO₂进行研磨并混合均匀，再将SrCO₃和TiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到SrTiO₃。

7.根据权利要求1-4任一项所述的陶瓷电容器的电介质，其特征在于所述BaZrO₃采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO₃和ZrO₂，然后对BaCO₃和ZrO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和ZrO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1270℃下保温120分钟，得到BaZrO₃。

8.根据权利要求1-4任一项所述的陶瓷电容器的电介质，其特征在于所述BaSiO₃采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO₃和SiO₂，然后对BaCO₃和SiO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和SiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1150℃下保温120分钟，得到BaSiO₃。

9.权利要求1-4任一项所述的陶瓷电容器的电介质的制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

(5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

(6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1230-1250℃的环境下，保温1-4小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到陶瓷电容器的电介质。

10.根据权利要求9所述的陶瓷电容器的电介质的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，粘合剂采用浓度为10％(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤(3)烘干的混合料的重量的8-10％。