CN102176374A

CN102176374A - 一种低温烧结的高压陶瓷电容器介质

Info

Publication number: CN102176374A
Application number: CN 201110056685
Authority: CN
Inventors: 黄新友; 高春华; 李军
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: CN102176374B

Abstract

本发明涉及无机非金属材料技术领域，特指一种低温烧结（烧结温度为930~980℃）高压陶瓷电容器介质，它采用常规的陶瓷电容器介质制备方法，利用电容器陶瓷普通化学原料，制备得到无铅、无镉的高介高压陶瓷电容器介质，还能大大降低电容器陶瓷的烧结温度，该介质适合于制备单片陶瓷电容器和多层片式陶瓷电容器，能大大降低陶瓷电容器的成本，同时能提高耐电压以扩大陶瓷电容器的应用范围,并且在制备和使用过程中不污染环境。

Description

一种低温烧结的高压陶瓷电容器介质

技术领域

背景技术

彩电、电脑、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。一般单片高压陶瓷电容器介质的烧结温度为1300~1400℃，而本发明的陶瓷电容器介质烧结温度为930~980℃，这样能大大降低高压陶瓷电容器的成本，同时本专利电容器陶瓷介质不含铅和镉，电容器陶瓷在制备和使用过程中不污染环境，另外，本发明的电容器陶瓷的介电常数较高，这样会提高陶瓷电容器的容量并且小型化，烧结温度低，符合陶瓷电容器的发展趋势, 能大大降低陶瓷电容器的成本。

通常用于生产高压陶瓷电容器的介质中含有一定量的铅，这不仅在生产、使用和废弃过程中对人体和环境造成危害，而且对性能稳定性也有不良影响。

中国专利“一种高压陶瓷电容器介质”（专利号ZL00112050.6）公开的电容器陶瓷介质虽属无铅介质材料，但介电常数为1860-3300，耐电压可以达到10kV/mm以上（直流），烧结温度为1260-1400℃，比本专利高很多，介电常数低于本专利，而且配方组成不同于本专利。

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，该介质材料的配方组成为（质量百分数）：（BaTiO₃+Nd₂O₃）89%~92%+Bi₂O₃·2TiO₂7.5~10%+低熔点玻璃料0.8%+50%Mn(NO₃)₂(水溶液)0.205%，其中，所用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，烧结温度最低为1080℃，比本专利高，介质的配方组成也不同于本发明专利。

中国期刊《华南理工大学学报（自然科学版）》1996年第3期在“中温烧结BaTiO₃基多相铁电瓷料X7R特性”一文中探讨了BaTiO₃基瓷料中温烧结机制，分析了中温烧结BaTiO₃基瓷料的组成及不均匀结构分布对介电常数与温度特性的影响，所用的BaTiO₃原料是采用化学共沉淀的方法来制备的，这样会增加陶瓷电容器的成本，而本专利所用的BaTiO₃、SrTiO₃、CaZrO₃分别是采用常规的化学原料以固相法合成，组成不同于本专利，组分中含有一定量的铅，并且未涉及耐电压，烧结温度最低为1050℃，比本专利高。

另有专利“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：97117286.2），它是采用固相法合成等价和异价离子同时取代（Sr²⁺,Zr⁴⁺,Sn⁴⁺,Nb⁵⁺）BaTiO₃固溶体，加入适量的硼铅锌铜玻璃烧结剂，使瓷料在中温烧结，其性能为：介电常数大于等于16000，耐压为700V/mm，该专利虽然介电常数高，但是所报道的材料的耐压太差，仅为700V/mm,另外其组分含有一定量的铅，该专利烧结温度为1080-1140℃，比本专利高。

另有专利“高压陶瓷电容器介质的制造方法”(专利号91101958.8),其采用非常规工艺制备介质,即流延成型膜，然后叠层介质体,将多层介质体进行真空加热匀压、冲片、然后进行排胶、烧成而得，该专利的缺点是制备工艺方法复杂、导致产品制造成本增加，该专利介质的烧结温度为1080-1330℃，比本专利的高。

还有中国专利 “高性能中温烧结片式多层瓷介电容器瓷料” （专利申请号：97117287.0），它采用独特的配方（重量百分比）（BaTiO₃93~96%+Nb₂O₅0.8~1.5%+Bi₂O₃1.0~2.2%+助熔剂1.8~3.5%+改性剂0.25~1.0%）得到中温烧结的满足如下性能的电容器陶瓷：介电常数为3000，介质损耗小于1.5%，耐压为860V/mm，该专利的助熔剂含有一定量的铅，该专利的耐电压太差，同时介电常数低，小于本专利，该介质的烧结温度为1100-1140℃，比本专利的高。

还有中国专利“一种中低温烧结高压陶瓷电容器介质”（专利申请号：200410041863.x）,它采用独特的配方（重量百分比）(BaTiO₃60-90%，SrTiO₃ 1-20% CaZrO₃0.1-10%,Nb₂O₅0.01-1%,MgO0.01-1%,CeO₂0.01-0.8%,ZnO0.01-0.6%,Co₂O₃0.03-1%,铋锂固溶体0.05-10%)得到中温烧结的满足如下性能的电容器陶瓷：介电常数为2000~3000，耐电压为6kV/mm以上, 降低烧结温度的添加物是铋锂固溶体，该专利的介电常数和耐电压没有本专利高，该专利公布的电容器陶瓷烧结温度为1100-1150℃，比本专利高，该专利的配方组成不同于本专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温烧结的高性能高介高压陶瓷电容器介质，本发明的目的是这样来实现的：

高介高压陶瓷电容器介质配方组成包括（重量百分比）： BaTiO₃60-91%,SrTiO₃2-13%,BaZrO₃2-15%,Nb₂O₅0.05-1%,CeO₂0.03-1.0%,ZnO 0.1-1.5%,Co₂O₃0.03-1.0%, Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉2-10%；其中BaTiO₃、SrTiO₃、BaZrO₃、Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉分别是采用常规的化学原料以固相法合成，Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉的组成为（摩尔比）：Bi₂O₃/ZnO / B₂O₃/SiO₂=1:2:2:1。

本发明的介质中所用的Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉的制备过程包括：将常规的化学原料Bi₂O₃、ZnO、B₂O₃和SiO₂按1：2：2：1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于850℃保温120分钟，在水中急冷后研磨过200目筛，备用。

本发明采用常规的高压陶瓷电容器介质制备工艺，即首先采用常规的化学原料用固相法分别合成BaTiO₃、SrTiO₃、BaZrO₃、Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉,然后按配方配料将配合料球磨粉碎混合，进行烘干后，加入粘合剂造粒，再压制成生坯片，然后在空气中进行排胶和烧结，经保温并自然冷却后，获得陶瓷电容器介质，在介质上被电极即成。

上述陶瓷介质的配方最好采用下列三种方案（重量百分比）：

BaTiO₃66-82%,SrTiO₃3-13%,BaZrO₃3-9%,Nb₂O₅0.5-0.8%,CeO₂0.3-0.6%,ZnO0.3-0.7% ,Co₂O₃0.3-0.7%, Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉4-10%；

BaTiO₃70-85%,SrTiO₃3-13%,BaZrO₃3-8%,Nb₂O₅0.5-0.8%,CeO₂0.3-0.6%,ZnO0.3-0.7% ,Co₂O₃0.5-0.7%, Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉4-10%；

BaTiO₃73-88%,SrTiO₃3-13%,BaZrO₃3-8%,Nb₂O₅0.5-0.8%,CeO₂0.3-0.6%,ZnO0.3-0.7% ,Co₂O₃0.3-0.7%, Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉4-10%。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本专利的介质是低温烧结（烧结温度为930~980℃）鈦酸钡锶基电容器陶瓷，这样能大大降低高压陶瓷电容器的成本，本专利的介质组分中不含铅和镉，对环境无污染；

2、本介质的介电常数较高，为3500左右；耐电压高，直流耐电压可达12kV/mm以上、5kV/mm(交流电压，AC)以上；介质损耗小，小于1.5%。本介质的介电常数较高，能实现陶瓷电容器的小型化和大容量,同样能降低成本；

3、本介质的电容温度变化率小，符合X7R特性的要求。介质损耗小于1.5%,使用过程中性能稳定性好，安全性高；

4、主要原料采用陶瓷电容器级纯即可制造出本发明的陶瓷介质；

5、本介质采用常规的固相法陶瓷电容器介质制备工艺即可进行制备。

具体实施方式

现在结合实施例对本发明作进一步的描述。表1给出本发明的实施例共9个试样的配方。

本发明的实施例共9个试样的配方的主要原料采用陶瓷电容器级纯,在制备时首先采用常规的化学原料用固相法分别合成BaTiO₃、SrTiO₃、BaZrO₃、Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉,然后按上述配方配料，将配好的料用蒸馏水或去离子水采用行星球磨机球磨混合，料:球:水=1:3:(0.6~1.0)，球磨4~8小时后，烘干得干粉料，在干粉料中加入占其重量8~10%的浓度为10%的聚乙烯醇溶液，进行造粒，混研后过40目筛，再在20~30Mpa压力下进行干压成生坯片，然后在温度为930~980℃下保温1~4小时进行排胶和烧结，再在780~870℃下保温15分钟进行烧银，形成银电极，再焊引线，进行包封，即得陶瓷电容器，测试其介电性能，上述各配方试样的介电性能列于表2，从表2可以看出所制备的电容器陶瓷耐电压高，可达12kV/mm(直流电压,DC)以上、5kV/mm(交流电压，AC)以上；介电常数为3500左右；介质损耗小于1.5%；电容温度变化率小，符合X7R特性的要求。

表1 本发明的实施例共9个试样的配方

表2 各配方试样的介电性能

Claims

1.一种低温烧结的高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述介质配方以重量百分比表示包括：

BaTiO₃60-91%,SrTiO₃2-13%,BaZrO₃2-15%,Nb₂O₅0.05-1%,CeO₂0.03-1.0%,ZnO 0.1-1.5%,Co₂O₃0.03-1.0%, Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉2-10%。

2.如权利要求1所述的一种低温烧结的高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述BaTiO₃、SrTiO₃、BaZrO₃和Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉分别是采用常规的化学原料以固相法合成。

3.如权利要求1所述的一种低温烧结的高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述介质配方以重量百分比表示包括：

BaTiO₃66-82%,SrTiO₃3-13%,BaZrO₃3-9%,Nb₂O₅0.5-0.8%,CeO₂0.3-0.6%,ZnO0.3-0.7% ,Co₂O₃0.3-0.7%, Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉4-10%。

4.如权利要求1所述的一种低温烧结的高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述介质配方以重量百分比表示包括：

BaTiO₃70-85%,SrTiO₃3-13%,BaZrO₃3-8%,Nb₂O₅0.5-0.8%,CeO₂0.3-0.6%,ZnO0.3-0.7% ,Co₂O₃0.5-0.7%, Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉4-10%。

5.如权利要求1所述的一种低温烧结的高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述介质配方以重量百分比表示包括：

6.如权利要求1所述的一种低温烧结的高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉的组成为（摩尔比）：Bi₂O₃/ZnO / B₂O₃/SiO₂=1:2:2:1。

7.如权利要求2或6所述的一种低温烧结高压陶瓷电容器介质，其特征在于所述的Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃粉的制备过程包括：将常规的化学原料Bi₂O₃、ZnO、B₂O₃和SiO₂按1：2：2：1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于850℃保温120分钟，在水中急冷后研磨过200目筛，备用。

8.如权利要求1所述的一种低温烧结的高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述陶瓷介质的烧结温度为930~980℃。