CN103664162A

CN103664162A - 一种大尺寸介质陶瓷材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN103664162A
Application number: CN201310675671.3A
Authority: CN
Inventors: 陈莹; 张文斌; 董显林; 王根水
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103664162B

Abstract

本发明公开了一种大尺寸介质陶瓷材料及其制备方法和应用。所述陶瓷材料具有如下组成配方：(4～12)mol%CaO+(4～12)mol%MgO+(5～25)mol%Al₂O₃+(5～37)mol%SiO₂+(40～50)mol%TiO₂。本发明采用传统固相法制备所述材料，所制备的大尺寸介质陶瓷材料的耐击穿强度可达到53kV/mm,介电常数可达到15～35，介电损耗小于0.003，非常适用于制作小容量高频电容器，尤其可应用于脉冲发生器、移相器、滤波器、振荡器、共振器及相控阵天线等电子元器件的制作；且所述材料还具有无铅环保、制备工艺简单等优点。

Description

一种大尺寸介质陶瓷材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种大尺寸介质陶瓷材料及其制备方法和应用，属于电子陶瓷材料技术领域。

背景技术

高压陶瓷电容器是电子设备中大量使用的主要元件之一。试验电压超过6.3kV的陶瓷电容器为高压陶瓷电容器，它具有隔直流和分离各种频率的能力。在众多电容器中，陶瓷电容器不仅可以耐高温、耐腐蚀，而且有较高的介电常数。无论是在工农业、国防、科学研究，还是在日常生活中，都有着广泛的应用，占据了越来越重要的地位。除了在倍压整流电路中和同轴电缆传输系统中应用以外，在喷漆机和复印机的静电装置、高压钠灯、高压避雷器、激光、雷达、电子显微镜等高压电源以及改善电压分布的高压线路中，也都在广泛使用高压陶瓷电容器。

随着生产技术的发展和应用环境的变化，陶瓷电容器的制备越来越趋向于超小型、环保和高可靠性，同时还伴随着降低生产成本的要求。对电容器而言，其主要性能取决于所采用的介电材料，要获得高性能的高压陶瓷电容器，必须研究与其相应的介质材料。因此，研发具有高温高稳定性、耐高压、无铅的介质材料越来越受到重视。为了提高电子元器件综合配套能力，以满足多型号机芯的整机生产需要，需要研究具有大尺寸低介电常数的小容量、高压、高频陶瓷电容器，如作为高功率微波、高功率激光和X光机的驱动源中的脉冲发生器等。

大尺寸陶瓷因为应力和均匀性等问题相对于小尺寸制品存在容易分层、开裂和变形等技术难题，制备工艺中的各个环节都存在较大难度，只要其中一个环节出现问题就会导致整个制备工艺的失败，这一直是制约先进陶瓷制品实际应用的最大障碍。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的上述问题和市场需求，旨在提供一种大尺寸介质陶瓷材料及其制备方法和应用，以满足介质陶瓷材料在小容量、高压、高频陶瓷电容器领域中的应用性能要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种大尺寸介质陶瓷材料，具有如下组成配方：

(4～12)mol%CaO+(4～12)mol%MgO+(5～25)mol%Al₂O₃+(5～37)mol%SiO₂+(40～50)mol%TiO₂。

一种制备本发明所述的大尺寸介质陶瓷材料的方法，包括如下步骤：

a)按组成配方称取CaO或CaCO₃、MgO或MgCO₃、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂各组成原料，进行二次湿法球磨，制得平均颗粒度为0.5～5μm的混合粉体；

b)向步骤a)制得的混合粉体中加入粘结剂，进行喷雾造粒后在180～220MPa的压强下压制成生坯；

c)将步骤b)制得的生坯在1200～1300℃下进行烧结，然后冷却到室温，即得所述的大尺寸介质陶瓷材料。

作为一种优选方案，步骤a)中所述的混合粉体的颗粒度为0.5～2μm。

作为一种优选方案，步骤b)中所述粘结剂为聚乙烯醇，所述粘结剂的添加量为混合粉体总重量的0.5～1%。

作为一种优选方案，步骤c)中的烧结时间为2～24小时。

与现有技术相比，本发明采用传统固相法制得了大尺寸（例如：长达300mm，宽达15mm，厚度达1mm的长方体或直径达30mm，厚度达8mm的圆柱体）介质陶瓷材料，且所制得的介质陶瓷材料的耐击穿强度可达到53kV/mm,介电常数可达到15～35，介电损耗小于0.003，非常适用于制作小容量高频电容器，尤其可应用于高功率微波、高功率激光和X光机的驱动源中的脉冲发生器或移相器、滤波器、振荡器、共振器及相控阵天线等电子元器件的制作；且所述材料具有高温稳定性好、耐高压、无铅环保、制备工艺简单等优点，具有显著性应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的陶瓷生坯的照片；

图2为本发明实施例1制备的陶瓷块体的照片；

图3为本发明实施例1制备的长方体陶瓷片照片；

图4是本发明实施例1制备的圆柱体陶瓷片照片；

图5为本发明实施例1制备的陶瓷材料的断面微观形貌图；

图6为本发明实施例1制备的长方体陶瓷片的介电频谱图；

图7为本发明实施例2制备的陶瓷材料的断面微观形貌图；

图8为本发明实施例2制备的长方体陶瓷片的介电频谱图；

图9为本发明实施例3制备的陶瓷材料的断面微观形貌图；

图10为本发明实施例3制备的长方体陶瓷片的介电频谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

按11.5mol%CaO+11.5mol%MgO+23mol%Al₂O₃+8mol%SiO₂+46mol%TiO₂配方称量CaCO₃、MgO、TiO₂、SiO₂和Al₂O₃各组成原料，以水为介质、玛瑙球为磨介，湿法球磨6h后，出料、烘干，将得到的粉料在1150℃下预烧4h；再次进行湿法球磨，烘干后得到颗粒度为0.5～5μm的混合粉体；向所得混合粉体中加入重量为混合粉体总重量的0.8%聚乙烯醇（PVA）进行喷雾造粒，然后在200MPa的等静压下压制成生坯，其照片如图1所示；将所得生坯在1250℃下烧结20h，然后自然冷却到室温，即得陶瓷块体，其照片如图2所示；将所得陶瓷块体经切割、细磨加工，得到长300mm×宽15mm×厚1mm的长方体陶瓷片，其照片如图3所示；将所得陶瓷块体分别加工成直径16mm×厚8mm和直径30mm×厚2mm的圆柱体陶瓷片，分别用于微波性能测试和耐压测试，其照片如图4所示；图5为本实施例所得陶瓷材料的断面背散射微观形貌图，由图5可见：所得陶瓷材料的晶相混合均匀，致密，无裂纹。

图6为本实施例中的长方体陶瓷片（长300mm×宽15mm×厚1mm）的介电频谱图，由图6可见：所得陶瓷材料在50MHz～150MHz频率范围，其介电常数在23左右，随频率基本不变；介电损耗小于0.0012。

表1为该实施例中的圆柱体陶瓷片（直径16mm×厚8mm）的微波性能测试数据。

表1

谐振模式	频率	介电常数	介电损耗
				TE011	5.172GHz	25.477	9.999×10^-4

实施例2

按4.5mol%CaO+4.5mol%MgO+9mol%Al₂O₃+36mol%SiO₂+45mol%TiO₂配方称量CaCO₃、MgO、TiO₂、SiO₂和Al₂O₃各组成原料，以水为介质、玛瑙球为磨介，湿法球磨8h后，出料、烘干，将得到的粉料在1100℃下预烧4h；再次进行湿法球磨，烘干后得到颗粒度为0.5～5μm的混合粉体；向所得混合粉体中加入重量为混合粉体总重量的0.5%聚乙烯醇（PVA）进行喷雾造粒，然后在210MPa的等静压下压制成生坯；将所得生坯在1220℃下烧结15h，然后自然冷却到室温，即得陶瓷块体；将所得陶瓷块体经切割、细磨加工，得到长300mm×宽15mm×厚1mm的长方体陶瓷片和直径30mm×厚2mm的圆柱体陶瓷片，将所得陶瓷片被银电极烧银后即用于介电性能测试和耐压测试。

本实施例所得陶瓷材料的断面微观形貌图如图7所示，由图7可见：所得陶瓷材料的晶相混合均匀，致密，无裂纹。

本实施例所得长方体陶瓷片（长300mm×宽15mm×厚1mm）的介电频谱图如图8所示，由图8可见：所得陶瓷材料在50MHz～150MHz频率范围，其介电常数在17.5左右，介电损耗小于0.003，介电常数和介电常数随频率的增大缓慢增大。

实施例3

按5mol%CaO+5mol%MgO+10mol%Al₂O₃+32mol%SiO₂+49mol%TiO₂配方称量CaCO₃、MgO、TiO₂、SiO₂和Al₂O₃各组成原料，以水为介质、玛瑙球为磨介，湿法球磨8h后，出料、烘干，将得到的粉料在1100℃下预烧4h；再次进行湿法球磨，烘干后得到颗粒度为0.5～5μm的混合粉体；向所得混合粉体中加入重量为混合粉体总重量的0.8%聚乙烯醇（PVA）进行喷雾造粒，然后在190MPa的等静压下压制成生坯；将所得生坯在1240℃下烧结24h，然后自然冷却到室温，即得陶瓷块体；将所得陶瓷块体经切割、细磨加工，得到长300mm×宽15mm×厚1mm的长方体陶瓷片和直径30mm×厚2mm的圆柱体陶瓷片，将所得陶瓷片被银电极烧银后即用于介电性能测试和耐压测试。

本实施例所得陶瓷材料的断面微观形貌图如图9所示，由图9可见：所得陶瓷材料的晶相混合均匀，致密，无裂纹。

本实施例所得长方体陶瓷片（长300mm×宽15mm×厚1mm）的介电频谱图如图10所示，由图10可见：所得陶瓷材料在50MHz～150MHz频率范围，其介电常数在29.7左右，介电损耗小于0.0017。

表2为上述实施例所得圆柱体陶瓷片(直径30mm×厚2mm)的抗击穿强度。

表2

样品	实施例1	实施例2	实施例3
				抗击穿场强	53kV/mm	51kV/mm	47kV/mm

综上实验结果可见：本发明采用传统固相法可制得大尺寸（例如：长达300mm，宽达15mm，厚度达1mm的长方体）介质陶瓷材料，且所制得的介质陶瓷材料的耐击穿强度可达到53kV/mm,介电常数可达到15～35，介电损耗小于0.003，非常适用于制作小容量高频电容器，尤其可应用于高功率微波、高功率激光和X光机的驱动源中的脉冲发生器或移相器、滤波器、振荡器、共振器及相控阵天线等电子元器件的制作；且所述材料具有高温稳定性好、耐高压、无铅环保、制备工艺简单等优点，具有显著性应用价值。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种大尺寸介质陶瓷材料，其特征在于，具有如下组成配方：

2.一种制备权利要求1所述的大尺寸介质陶瓷材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤a)中所述的混合粉体的颗粒度为0.5～2μm。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤b)中所述粘结剂为聚乙烯醇，所述粘结剂的添加量为混合粉体总重量的0.5～1%。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤c)中的烧结时间为2～24小时。

6.一种权利要求1所述的大尺寸介质陶瓷材料的应用，其特征在于：用于制作小容量高频电容器。

7.一种权利要求1所述的大尺寸介质陶瓷材料的应用，其特征在于：用于制作脉冲发生器、移相器、滤波器、振荡器、共振器或相控阵天线。