CN102219506A - 稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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刘韩星
伍小翥
郝华
曹明贺
余志勇
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Abstract

本发明提供稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷，它包括NdxSr1-xTiO3和SiO2，SiO2的掺入量为NdxSr1-xTiO3质量的0.05~0.8%，其中，x=0.08~0.14。本发明还提供上述SrTiO3基介质陶瓷的制备方法。通过稀土Nd和微量SiO2的掺杂使材料在尽量保持高介电常数的同时降低体系的介电损耗值，优化材料的综合性能，得到介电常数较高，介电损耗较低、容温变化率较好的材料，且制备工艺简单，有助于材料制备的发展和应用。

Description

稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于多层陶瓷电容器用介质材料及制备方法，尤其涉及稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷及其制备方法。
背景技术
片式多层陶瓷电容器(MLCC)目前广泛应用于移动电话、计算机、数码相机及汽车等领域，它具有等效串联电阻(ESR)小，额定纹波电流大，品种规格齐全，尺寸小，无极性，漏电流小等特点。近年来，移动电子设备的小型化使得多层陶瓷电容器(MLCC)逐渐向低成本、小型化、大容量的方向发展。钛酸钡陶瓷具有高介电常数，能在较小的体积内储存较大的电能，且对环境无污染，因而成为陶瓷电容器特别是MLCC的首选介质材料。BaTiO3虽然具有较高的介电常数，但介电常数在居里点附近有较大突变，且随环境温度的变化较大，因此改善钛酸钡基陶瓷的介电温度特性仍然是目前的研究热点之一。同时，开发新型的具有高介电常数、低介电损耗、稳定的容温变化率的材料也具有重大的意义，值得进一步进行研究和探讨，SrTiO3材料就是一种很有前途的材料。SrTiO3在室温下为顺电相立方结构，在居里温度Tc以上没有相变，与BaTiO3体系相比不会导致疲劳和老化问题。因此，用SrTiO3基材料制备电容器具有潜在的优势。然而，纯SrTiO3属于顺电体，居里温度很低，介电常数不高，只有250左右，容量温度系数大，因此，必须对SrTiO3进行掺杂改性，并通过微观结构的控制，从而制备出高介电常数、低介电损耗、高温度稳定性的MLCC材料。
有关资料表明，目前BaTiO3基的X7R材料的介电常数一般为5000左右，难以得到很大的提高，而且高介电常数低容温变化率的X7R陶瓷材料在市场上非常稀缺，开发新型大容量电容器材料很有必要。而稀土掺杂SrTiO3基材料就是一种很有潜力的替代材料。因此针对该材料值得进一步进行研究和分析，以期望得到高介电常数，介电损耗低，低容温变化率的材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中存在的不足，提供一种高介电常数，介电损耗低，容温变化率较好的稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷(MLCC材料)及其制备方法。
本发明为解决上述技术问题所提出的技术方案为：
稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷，它包括NdxSr1-xTiO3和SiO2，SiO2的掺入量为NdxSr1-xTiO3质量的0.05~0.8%，其中，x=0.08~0.14。
稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷的制备方法，它包括以下步骤：
1）  将SrCO3、TiO2和Nd2O3按照化学计量比NdxSr1-xTiO3称量并且配料，其中x=0.08~0.14；
2）  将配好的料放入球磨罐中，球磨时间为8-24小时；
3）  将球磨料烘干后于1100℃～1250℃煅烧2-4小时，得到预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷(即NdxSr1-xTiO3)；
4）  在预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷中加入SiO2，SiO2的掺入量为预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷质量的0.05~0.8%，细磨24小时，出料烘干后，加入粘结剂，压片，排胶，冷却，然后在1400℃～1500℃进行烧结。
上述方案中，球磨步骤中按照料：球：酒精的体积比为1：1：1.2进行球磨。
上述方案中，球磨料烘干后煅烧3小时。
上述方案中，加入粘结剂，压片和排胶的步骤中是加入浓度为2.5wt%的聚乙烯醇粘结剂进行造粒，所述聚乙烯醇粘结剂的加入量为出料质量的3~5%，压片得到生坯片，在600℃下保温2h排胶。
本发明的有益效果是：
本发明采用一般固相反应法制备了稀土Nd掺杂SrTiO3基材料，并且使用SiO2进行微量掺杂，研制出一种具有高介电常数的MLCC材料，其具有以下特点:
1. 通过控制稀土Nd的掺杂量，可得到巨介电效应，使材料的介电常数显著增大，从250增大到104级别，高于目前MLCC体系，能够优化材料性能，拓宽材料应用范围。
2. 通过微量SiO2的掺杂使材料在尽量保持高介电常数的同时降低体系的介电损耗值，优化材料的综合性能，得到介电常数较高，介电损耗较低、容温变化率较好的材料，有利于大容量，微型化的发展，并且以SrTiO3为基体，与目前BaTiO3体系相区别，开创出一种新型的MLCC体系，有助于新型材料的探索。
3. 制备工艺简单，有助于材料制备的发展和应用。
附图说明
图1为稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3的XRD图。
图2为实施例1的稀土Nd掺杂SrTiO3的介电常数随温度变化的图谱。
图3为实施例1的稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3的高温介电图谱。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明并不局限于下面的实施例；任何在本发明基础上的改变或改进，都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷，它包括Nd0.12Sr0.88TiO3和SiO2，SiO2的掺入量为Nd0.12Sr0.88TiO3质量的0.1%。
上述稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷的制备方法包括以下步骤：
1）按照化学计量比Nd0.12Sr0.88TiO3称量0.88mol SrCO3、1mol TiO2、及0.06mol Nd2O3并且配料；
2）将配好的料放入球磨罐中，球磨时间为12小时；
3）将球磨料烘干后于1200℃煅烧3小时，得到预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷；
4）在预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷中加入SiO2，SiO2的掺入量为预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷质量的0.1%，细磨24小时，出料烘干后，加入粘结剂(浓度为2.5wt%的聚乙烯醇粘结剂，所述聚乙烯醇粘结剂的加入量为出料质量的4%)，压片，排胶，冷却，然后在1470℃进行烧结。
图1为实施例1所得的稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷的XRD图谱，可以发现，添加稀土Nd和SiO2后的SrTiO3并未出现杂相。图2为Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷样品的介电常数随温度变化的图谱，所测得的介电常数为15900，损耗为0.21，△C/C≤±15%的温度范围为-55℃～+90℃，得到具有巨介电常数的材料。图3为在稀土Nd掺杂的基础上再掺杂SiO2的SrTiO3基介质陶瓷的高温介电图谱，测得其介电常数为6682，损耗为0.08，△C/C≤±15%的温度范围为-55℃～+110℃，并且具有着明显的随温度变化的弛豫特性。可以看到在介电常数仍然保持较高的同时，该材料的介电损耗大大降低了，容温变化率也得到了优化。
实施例2
一种稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷，它包括Nd0.08Sr0.92TiO3和SiO2，SiO2的掺入量为Nd0.08Sr0.92TiO3质量的0.05%。
上述稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷的制备方法包括以下步骤：
1）按照化学计量比Nd0.08Sr0.92TiO3称量0.92mol SrCO3、1mol TiO2、及0.04mol Nd2O3并且配料；
2）将配好的料放入球磨罐中，按料：球：酒精的体积比大约1：1：1.2进行混料球磨，球磨时间为8小时；
3）将球磨料烘干后于1100℃煅烧2小时，得到预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷；
4）在预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷中加入SiO2，SiO2的掺入量为预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷质量的0.05%，细磨24小时，出料烘干后，加入浓度为2.5wt%的聚乙烯醇粘结剂进行造粒，所述聚乙烯醇粘结剂的加入量为出料质量的3%，压片得到生坯片，在600℃下保温2h排胶，冷却至室温，然后在1400℃进行烧结。
实施例2所得的稀土Nd和 SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷，测得其介电常数为4850，损耗为0.145，△C/C≤±15%的温度范围为-55℃～+95℃，可以看到该材料介电常数较高，介电损耗较低、容温变化率较好。
实施例3
一种稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷，它包括Nd0.14Sr0.86TiO3和SiO2，SiO2的掺入量为Nd0.14Sr0.86TiO3质量的0.8%。
上述稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷的制备方法包括以下步骤：
1）按照化学计量比Nd0.14Sr0.86TiO3称量0.86mol SrCO3、1mol TiO2、及0.07mol Nd2O3并且配料；
2）将配好的料放入球磨罐中，按料：球：酒精的体积比大约1：1：1.2进行混料球磨，球磨时间为24小时；
3）将球磨料烘干后于1250℃煅烧4小时，得到预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷；
4）在预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷中加入SiO2，SiO2的掺入量为预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷质量的0.8%，细磨24小时，出料烘干后，加入浓度为2.5wt%的聚乙烯醇粘结剂进行造粒，所述聚乙烯醇粘结剂的加入量为出料质量的5%，压片得到生坯片，在600℃下保温2h排胶，冷却至室温，然后在1500℃进行烧结。
实施例3所得的稀土Nd和 SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷，测得其介电常数为2156，损耗为0.05，△C/C≤±15%的温度范围为-55℃～+130℃。可以看到该材料介电常数较高，介电损耗较低、容温变化率得到了极大的优化。

Claims (5)

1.稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷，其特征在于，它包括NdxSr1-xTiO3和SiO2，SiO2的掺入量为NdxSr1-xTiO3质量的0.05~0.8%，其中，x=0.08~0.14。
2.稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1) 将SrCO3、TiO2和Nd2O3按照化学计量比NdxSr1-xTiO3称量并且配料，其中x=0.08~0.14；
2) 将配好的料放入球磨罐中，球磨时间为8-24小时；
3) 将球磨料烘干后于1100℃～1250℃煅烧2-4小时，得到预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷；
4) 在预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷中加入SiO2，SiO2的掺入量为预烧的Nd掺杂SrTiO3基介质陶瓷质量的0.05~0.8%，细磨24小时，出料烘干后，加入粘结剂，压片，排胶，冷却，然后在1400℃～1500℃进行烧结。
3.根据权利要求2所述的稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷的制备方法，其特征在于，球磨步骤中按照料：球：酒精的体积比为1：1：1.2进行球磨。
4.根据权利要求2所述的稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷的制备方法，其特征在于，球磨料烘干后煅烧3小时。
5.根据权利要求2所述的稀土Nd和SiO2掺杂SrTiO3基介质陶瓷的制备方法，其特征在于，加入粘结剂，压片和排胶的步骤中是加入浓度为2.5wt%的聚乙烯醇粘结剂进行造粒，所述聚乙烯醇粘结剂的加入量为出料质量的3~5%，压片得到生坯片，在600℃下保温2h排胶。
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