CN102627456B

CN102627456B - 一种低损耗高压陶瓷电容器介质

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Publication number: CN102627456B
Application number: CN201210118772.6A
Authority: CN
Inventors: 黄新友; 高春华
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: CN102627456A

Abstract

本发明涉及无机非金属材料技术领域，特指一种低损耗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、无镉的低损耗高压陶瓷电容器介质，还能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，同时能提高耐电压和降低损耗以扩大陶瓷电容器的应用范围,而且能大大提高陶瓷电容器的安全性，同时在制备和使用过程中不污染环境。

Description

一种低损耗高压陶瓷电容器介质

技术领域

本发明涉及无机非金属材料技术领域，特指一种低损耗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、无镉的低损耗高压陶瓷电容器介质，还能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，同时能提高耐电压和降低损耗以扩大陶瓷电容器的应用范围，而且能大大提高陶瓷电容器的安全性，同时在制备和使用过程中不污染环境。

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；一般低损耗高耐压的(Ba，Sr)TiO₃单片高压陶瓷电容器介质的烧结温度为1400～1420℃，而本发明的陶瓷电容器介质烧结温度为1330～1350℃，这样能大大降低低损耗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质损耗低，温度稳定性好，符合陶瓷电容器的发展趋势，同样由于烧结温度低，也会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，该介质材料采用97.8wt.％BaTiO₃+0.8wt.％Bi₂O₃+0.7wt.％Nb₂O₅+0.5wt.％CeO₂+0.2wt.％MnO₂的配方，以常规的工艺制备试样，其介电常数ε＝2500～2600，tg δ＝0.5-1.4％，直流耐压强度为7KV/mm；该介质虽属无铅介质材料，但它存在耐压性较差，介质损耗较大，配方组成不同于本专利。

中国期刊《南京化工大学学报》1999年第4期在“SrTiO₃基高压陶瓷电容器材料的组成与性能”一文中公开了一种低损耗高耐压的电容器陶瓷介质，但该介质含有18mol％左右的钛酸铅，在制备和使用过程中会对环境和人体有污染。

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，介质损耗太大，远大于本专利的介质损耗，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，并且未涉及耐电压和介质损耗。

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。

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。

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，同时介质损耗太大，远大于本专利。

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)(BaTiO₃ 60-90％，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，该专利的介质损耗太高。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高性能低损耗高压陶瓷电容器陶瓷材料。

本发明的目的是这样来实现的：

一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其组成按照重量百分比计算：BaTiO₃ 54-91％，MgTiO₃ 1-4％，BaZrO₃ 4-20％，SrZrO₃ 3-12％，CeO₂ 0.03-1.0％，ZnO 0.1-1.5％，CaTiSiO₅ 0.5-7.5％；其中BaTiO₃、MgTiO₃、BaZrO₃、SrZrO₃、CaTiSiO₅分别是采用常规的化学原料以固相法合成。

本发明的陶瓷材料中所用的MgTiO₃的制备过程包括：将常规的化学原料MgCO₃和TiO₂按1∶1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1300℃保温120分钟，固相反应合成MgTiO₃，冷却后研磨过200目筛，备用。

本发明的陶瓷材料中所用的SrZrO₃的制备过程包括：将常规的化学原料SrCO₃和ZrO₂按1∶1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1350℃保温120分钟，固相反应合成SrZrO₃，冷却后研磨过200目筛，备用。

本发明的陶瓷材料中所用的CaTiSiO₅的制备过程包括：将常规的化学原料CaCO₃、TiO₂、SiO₂按1∶1∶1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1200-1250℃保温120分钟，固相反应合成CaTiSiO₅，冷却后研磨过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、MgTiO₃、BaZrO₃、SrZrO₃、CaTiSiO₅，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％，MgTiO₃1-4％，BaZrO₃5-15％，SrZrO₃ 5-10％，CeO₂0.3-0.6％，ZnO

0.3-0.7％，CaTiSiO₅ 1.5-7.5％；

BaTiO₃70-85％，MgTiO₃1-4％，BaZrO₃5-15％，SrZrO₃5-10％，CeO₂0.3-0.6％，ZnO

0.3-0.7％，CaTiSiO₅1.5-7.5％；

BaTiO₃ 73-88％，MgTiO₃1-4％，BaZrO₃ 4-14％，SrZrO₃ 4-9％，CeO₂ 0.3-0.6％，ZnO

0.3-0.7％，CaTiSiO₅ 1.5-7.5％。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本专利的介质是中温烧结(1330～1350℃)钛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、本介质的耐电压高，直流耐电压可达12kV/mm以上；介质损耗小，小于0.1％。

3、本介质的电容温度变化率小，符合Y5P特性的要求。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、MgTiO₃、BaZrO₃、SrZrO₃、CaTiSiO₅，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％(重量百分比)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1330～1350℃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；介质损耗小于0.1％；电容温度变化率小，符合Y5P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

1.一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其组成按照重量百分比计算：BaTiO₃54-91%, MgTiO₃1-4%,BaZrO₃4-20%, SrZrO₃3-12%,CeO₂0.03-1.0%,ZnO 0.1-1.5%, CaTiSiO₅0.5-7.5%；其中BaTiO₃、MgTiO₃、BaZrO₃、SrZrO₃、CaTiSiO₅分别是采用常规的化学原料以固相法合成。

2.如权利要求1所述的一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征在于：其组成按照重量百分比计算：BaTiO₃66-82%, MgTiO₃1-4%,BaZrO₃5-15%,SrZrO₃5-10%,CeO₂0.3-0.6%, ZnO0.3-0.7% , CaTiSiO₅1.5-7.5%。

3.如权利要求1所述的一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征在于：其组成按照重量百分比计算：BaTiO₃70-85%,MgTiO₃1-4%,BaZrO₃5-15%,SrZrO₃5-10%,

CeO₂0.3-0.6%,ZnO0.3-0.7% , CaTiSiO₅1.5-7.5%。

4.如权利要求1所述的一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征在于：BaTiO₃73-88%,MgTiO₃1-4%,BaZrO₃4-14%, SrZrO₃4-9%,CeO₂0.3-0.6%,ZnO 0.3-0.7% , CaTiSiO₅1.5-7.5%。

5.如权利要求1所述的一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述MgTiO₃的制备过程如下：将常规的化学原料MgCO₃和TiO₂按1：1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1300℃保温120分钟，固相反应合成MgTiO₃，冷却后研磨过200目筛，备用。

6.如权利要求1所述的一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述SrZrO₃的制备过程如下：将常规的化学原料SrCO₃和ZrO₂按1：1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1350℃保温120分钟，固相反应合成SrZrO₃，冷却后研磨过200目筛，备用。

7. 如权利要求1所述的一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征在于：所述CaTiSiO₅的制备过程如下：将常规的化学原料CaCO₃、TiO₂、SiO₂按1：1：1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1200-1250℃保温120分钟，固相反应合成CaTiSiO₅，冷却后研磨过200目筛，备用。