CN103102079A

CN103102079A - 一种具有高击穿场强的玻璃陶瓷电介质及其制备方法

Info

Publication number: CN103102079A
Application number: CN2011103552698A
Authority: CN
Inventors: 杜军; 张庆猛; 罗君; 唐群; 韩东方; 周毅
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明公开了属于适合于高压直流环境使用的玻璃陶瓷电介质技术领域的一种具有高击穿场强的玻璃陶瓷电介质及其制备方法，其成分组成为：xPbO-yBaO-zSrO-aNb₂O₅-bNa₂O-cSiO₂-dR，且满足0≤x≤17.1，0≤y≤17.5，0≤z≤14.3，10.7≤a≤34，11≤b≤25.4，28≤c≤47，0≤d≤4.5，其中，R作为辅成分，为MnO₂，MgO，CaO，ZnO中的至少一种氧化物，x、y、z、a、b、c、d为摩尔比。本发明的玻璃陶瓷电介质具有高击穿场强、高介电常数、良好的介电常数温度稳定性，实现了无孔隙，直流击穿场强可达到50kV/mm以上。

Description

一种具有高击穿场强的玻璃陶瓷电介质及其制备方法

技术领域

本发明属于适合于高压直流环境使用的玻璃陶瓷电介质技术领域，特别涉及一种具有高击穿场强的玻璃陶瓷电介质及其制备方法，该玻璃陶瓷电介质适合作为高压电容器介质。

背景技术

高压电容器是高压、大功率脉冲设备中不可缺少的电子元件之一。随着高压设备小型化、轻型化的发展需求，对高压电容器提出了高耐压强度、高储能、高稳定性等要求。

目前高压陶瓷电容器，瓷芯主要为BaTiO₃、SrTiO₃系烧结陶瓷，该类陶瓷介质通常具有较高的介电常数，且介电常数在一定温度和频率范围内可以通过配方的调整或工艺的改进，使得陶瓷介电常数在保持较大值的情况下具有较好的温度和频率稳定性。但是由于该类陶瓷介质采用传统粉末烧结工艺制备，在烧结过程中，气孔很难完全消除，最终残留在烧结体中形成孔隙。而孔隙是影响陶瓷击穿场强的最主要因素之一，因此，采用高温固相烧结工艺制备的陶瓷通常耐压性能不高，击穿场强一般在10kV/mm左右。如何消除孔隙，制备出完全致密的陶瓷体是提高高压陶瓷电容器耐压性能的关键。

玻璃陶瓷又称微晶玻璃，是将特定组分的基础玻璃，通过可控结晶技术制得的一类含有大量微晶陶瓷相和玻璃相的复合材料。它采用完全不同于烧结陶瓷的制备工艺，通过高温熔融-快速冷却，制备出完全致密的玻璃基体，然后在一定温度下保温，析出高介电常数的陶瓷相，通过该工艺制备的玻璃陶瓷既具有高介电常数，同时由于消除了孔隙，从而实现了高击穿场强。铌酸盐体系玻璃陶瓷由于其具有高击穿场强、高介电常数、良好温度稳定性在高压陶瓷电容器领域展现出了良好的应用前景。

发明内容

针对现有的上述技术问题，本发明提供一种具有高击穿场强的玻璃陶瓷电介质及其制备方法。

所述具有高击穿场强的玻璃陶瓷电介质，成分组成为：xPbO-yBaO-zSrO-aNb₂O₅-bNa₂O-cSiO₂-dR，且满足0≤x≤17.1，0≤y≤17.5，0≤z≤14.3，10.7≤a≤34，11≤b≤25.4，28≤c≤47，0≤d≤4.5，其中，R作为辅成分，为MnO₂，MgO，CaO，ZnO中的至少一种氧化物，x、y、z、a、b、c、d为摩尔比。

该玻璃陶瓷的制备方法包括以下步骤：

1)以PbO，BaCO₃、Ba(OH)₂或Ba(NO₃)₂中的任意一种，SrCO₃、Sr(OH)₂或Sr(NO₃)₂中的任意一种，Nb₂O₅，Na₂CO₃、NaOH或NaNO₃中的任意一种，SiO₂，以及R为原料，按照所述摩尔比例进行配料，利用翻转混料机混合4-7小时，然后将混合均匀的原料在1300-1450℃的高温下保温2-3小时；

2)采用以下任意一种方式获得玻璃片：

将熔融均匀的玻璃液快速倒入400-550℃提前预热的金属模具中，成型后放入退火炉中进行去应力退火；

或将熔融的玻璃液倒入转动的压延机两滚轴之间，轧制出0.5-1mm厚的玻璃薄片；

或将熔融的玻璃液倒入去离子水中进行水淬，制得玻璃碎渣，经球磨制得玻璃粉，然后将其压制成0.5-1mm厚度的圆薄片；

3)将步骤2)中制备的玻璃片进行可控结晶，该过程分为两步：首先在600-700℃温度范围内保温2-3小时，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到800-950℃保温2-3小时使晶核均匀长大，得到以铌酸盐陶瓷相为主的玻璃陶瓷电介质。

将结晶后得到的玻璃陶瓷片进行切割、研磨、抛光，制得表面光滑、形状规则的圆片，在圆片两面分别镀一层Ni膜，作为电极。可得到简易的平行板电容样品。

本发明的优势在于本发明的玻璃陶瓷电介质为铌酸盐体系玻璃陶瓷，具有高击穿场强、高介电常数、良好的介电常数温度稳定性，实现了无孔隙，直流击穿场强可达到50kV/mm以上，介电常数在150-600之间，直流电阻率大于10¹¹Ω·m，介电常数的稳定性好，适合作为高压电容器的介质。

附图说明

图1.3、7、8号样品850℃热处理的透射电镜照片。

图2.经过850℃热处理的13、14号样品的介电常数随温度的变化曲线。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

该实验例是用于赋予本发明的玻璃陶瓷的成分范围限定依据的实验例。

首先选择分析纯的PbO，BaCO₃，SrCO₃，Nb₂O₅，Na₂CO₃，SiO₂，R为原料，按照表1中的摩尔比例进行分别配料，利用去离子水作为分散介质，氧化锆球作为研磨介质，在尼龙罐中利用翻转混料机混合4小时，将混合均匀的浆料在120℃烘箱中烘干。

表1各式样成分表

0≤x≤17.1，0≤y≤17.5，0≤z≤14.3，10.7≤a≤34，11≤b≤25.4，28≤c≤47，0≤d≤4.5

随后将混合均匀的原料加入铂金坩埚中，在1450℃的高温下保温3小时。接着将熔融均匀的玻璃液快速倒入550℃提前预热的金属模具中，成型后放入退火炉中进行去应力退火，保温6小时后，关掉退火炉，随炉冷；

或将熔融的玻璃液倒入转动的压延机两滚轴之间，轧制出1-2mm厚的玻璃薄片；

或将熔融的玻璃液倒入去离子水中进行水淬，制得玻璃碎渣，经球磨制得玻璃粉，然后将其压制成1-2mm厚度的圆薄片。

接着将制备的玻璃片进行可控结晶热处理，处理工艺如下：首先在600℃温度范围内保温3小时，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到850℃保温3小时使晶核均匀长大，得到以铌酸盐陶瓷相为主晶相的玻璃陶瓷介质。

接着将经过结晶热处理得到的玻璃陶瓷片进行机械加工，包括切割、研磨、抛光，制得表面光滑，具有规则形状的厚度为1mm左右的圆片。

随后利用磁控溅射在玻璃陶瓷片上下两面分别溅射一层Ni膜，作为电极，得到简易的平行板电容样品，对样品进行一系列的性能测试。

首先利用精密阻抗分析仪测试各样品在室温，1kHz条件下的电容值、介电损耗值，并通过平行板电容器介电常数计算公式获得介电常数值。

利用绝缘电阻计，在室温下，施加120秒的1000V直流电压下测量样品的绝缘电阻值。

利用高压直流电源，在室温下测量各样品的直流耐压特性，升压速度大约500-800V/S，每个成分大约5-10个样品，测量后取平均值。

将以上的测试结果列于表2。

所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

表2测试结果

Claims

1.一种具有高击穿场强的玻璃陶瓷电介质，其特征在于：其成分组成为：xPbO-yBaO-zSrO-aNb₂O₅-bNa₂O-cSiO₂-dR，且满足0≤x≤17.1，0≤y≤17.5，0≤z≤14.3，10.7≤a≤34，11≤b≤25.4，28≤c≤47，0≤d≤4.5，其中，R作为辅成分，为MnO₂，MgO，CaO，ZnO中的至少一种氧化物，x、y、z、a、b、c、d为摩尔比。

2.权利要求1所述的玻璃陶瓷电介质的制备方法，其特征在于该玻璃陶瓷方法包括以下步骤：

2)采用以下任意一种方式获得玻璃片：

或将熔融的玻璃液倒入去离子水中进行水淬，制得玻璃碎渣，经球磨制得玻璃粉，然后将其压制成1-2mm厚度的圆薄片；

3)将步骤2)中制备的玻璃片进行可控结晶，该过程分为两步：首先在600-700℃温度范围内保温2-3小时，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到800-950℃保温2-3小时使晶核均匀长大，得到玻璃陶瓷电介质。