CN103739283A - 一种钛酸锶钡陶瓷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛酸锶钡陶瓷的制备方法，包括：将原料BaCO3，SrCO3和TiO2按Ba1-xSrxTiO3化学式配料，研磨后烘干，过筛；将步骤（1）制得的粉料于1100～1250℃煅烧1～5小时后，过筛；将步骤（2）制得的粉料装入模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境中900～1050℃进行烧结，制得陶瓷烧结体；空气气氛下，将所述的陶瓷烧结体于800～1100℃热处理1～5小时，制得所述钛酸锶钡陶瓷。本发明的制备方法，制备的Ba1-xSrxTiO3陶瓷在室温下储能密度达到了1.13J/cm3以上，比采用传统烧结方法制备的相同组分电介质陶瓷的储能密度提高了一倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及储能电容器用介质材料技术领域，尤其涉及一种钛酸锶钡陶瓷的制备方法。
背景技术
电容器是电子、电力工业中一种常用的电子、电器元器件，它的用途十分广泛，电介质储能电容器是储存从电路中得到的电荷的器件，它可以使信号的波动趋于平滑，积蓄电荷使电路的其余部分免遭破坏，储存的电荷供以后分配、使用，甚至还可以改变电信号的频率。
电介质储能电容器具有响应速度快、可再生、功率密度高、使用寿命长、全固态安全结构等优点，在大功率和脉冲功率器件中有着非常广泛的应用。
电介质材料是储能电容器的关键材料，其中陶瓷电介质由于介电常数高、老化速度慢、机械强度高、使用温度范围广和可以在复杂环境下使用而受到了越来越多的关注，其典型代表是钛酸锶钡陶瓷。
公开号为CN101863658A的中国专利文献公开了一种钛酸锶钡陶瓷的制备方法，将分析纯BaCO3，SrCO3，TiO2，MgO按照化学计量比BaxSr1-x(MgyTi)O3称量并且配料，其中x＝0.5～0.7，y＝0.01～0.07；将配好的料放入球磨罐中，按氧化锆球∶料∶酒精为3∶1∶1的比例混料球磨，球磨时间为4～8小时；将球磨料烘干后压块，在1000～1100℃温度下预烧1～4小时，取出研碎，再球磨8～12小时，然后过筛；将过筛后的粉料预压成直径为12mm，厚度为1～1.5mm的圆片，然后在200MPa的等静压压力下成型；将成型后的圆片在1180～1260℃下保温3～5小时，烧结成瓷。
上述专利为制备钛酸锶钡陶瓷的传统方法，该专利通过调整配方，使陶瓷的介电损耗在室温附近的温度范围均保持较低，而且通过优化工艺，可以降低陶瓷的烧结温度。但是传统方法制备得到的钛酸锶钡陶瓷普遍存在介电击穿强度较低而导致其储能密度较低的问题。
储能元件的小型化和轻量化对电介质陶瓷的储能密度提出了越来越高的要求。因此，如何提高电介质陶瓷的介电击穿强度以提高电介质陶瓷的储能密度是制备高储能密度电容器的关键。
发明内容
本发明提供了一种钛酸锶钡陶瓷的制备方法，利用该方法制备的Ba1-xSrxTiO3陶瓷在室温下储能密度达到了1.13J/cm3以上。
一种钛酸锶钡陶瓷的制备方法，包括：
（1）将原料BaCO3，SrCO3和TiO2按Ba1-xSrxTiO3化学式配料，研磨后烘干，过筛；
（2）将步骤（1）制得的粉料于1100～1250℃煅烧1～5小时后，过筛；
（3）将步骤（2）制得的粉料装入模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境中900～1050℃进行烧结，制得陶瓷烧结体；
（4）空气气氛下，将所述的陶瓷烧结体于800～1100℃热处理1～5小时，制得所述钛酸锶钡陶瓷。
本发明通过采用放电等离子烧结方法，并控制烧结温度，提高了电介质陶瓷的介电击穿强度，从而提高电介质陶瓷的储能密度。
配料时，化学式Ba1-xSrxTiO3中，x=0.6～0.7，优选的，化学式Ba1-xSrxTiO3中，x=0.6或0.7。
粉体颗粒大小可以影响材料的显微结构，从而影响材料的介电性能，一般的，步骤（1）中，研磨至粒径为100nm～10μm，所述研磨的方法可以为：将原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水进行球磨。
优选的，所述煅烧的温度为1140～1160℃，时间为4～5小时；更优选的，所述煅烧的温度为1150℃，时间为3小时。能够有效去除挥发物，形成所需晶相。
烧结是使材料获得预期的显微结构以使材料性能充分发挥的关键工序。烧结温度和时间将直接影响到晶粒尺寸的大小和孔隙率（或陶瓷的致密度），从而影响到材料的介电性能。过低或过高的烧结温度都可能使得材料的致密度降低，而过长的烧结时间可能导致晶粒的异常长大。优选的，步骤（3）中，所述烧结的温度为980～1020℃，时间为3～10min；更优选的，所述烧结的温度为1000℃，时间为5min。
放电等离子烧结时，压力为30MPa，升温速率为：从室温到900℃的升温速率为100℃/min，从900℃到980℃升温速率为40℃/min，980℃到1000℃（即烧结温度）升温速率为20℃/min。
优选的，步骤（4）中，所述热处理的温度为980～1020℃，时间为1～3小时；更优选的，所述热处理的温度为1000℃，时间为2小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
采用本发明的制备方法，制备的Ba1-xSrxTiO3陶瓷在室温下储能密度达到了1.13J/cm3以上，而采用传统烧结方法制备得到的相同组分电介质陶瓷的储能密度仅为0.5J/cm3左右，储能密度提高了一倍以上。本发明制备的钛酸锶钡陶瓷，可用于高密度储能电容器等元器件，在大功率和脉冲功率领域有着极大的应用价值。
本发明的制备方法中，烧结温度较低，降低成本。
附图说明
图1为实施例2Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷样品的烧结温度和轴向位移随放电等离子烧结时间的变化曲线。
图2为传统固相烧结（对比例1和对比例2）和放电等离子烧结（实施例1和实施例2）钛酸锶钡陶瓷样品的XRD衍射图谱；
其中，(a)Ba0.3Sr0.7TiO3(对比例1)；(b)Ba0.4Sr0.6TiO3(对比例2)；(c)Ba0.3Sr0.7TiO3(实施例1)；(d)Ba0.4Sr0.6TiO3(实施例2)。
图3为实施例2制备的Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷粉末的扫描电镜照片。
图4为钛酸锶钡陶瓷样品的抛光热腐蚀表面扫描电镜照片和断面电镜照片；
其中，扫描电镜照片：(a)Ba0.3Sr0.7TiO3(实施例1)；(c)Ba0.4Sr0.6TiO3(实施例2)；(e)Ba0.3Sr0.7TiO3(对比例1)；(g)Ba0.4Sr0.6TiO3(对比例2)；
断面电镜照片：(b)Ba0.3Sr0.7TiO3(实施例1)；(d)Ba0.4Sr0.6TiO3(实施例2)；(f)Ba0.3Sr0.7TiO3(对比例1)；(h)Ba0.4Sr0.6TiO3(对比例2)。
图5为钛酸锶钡陶瓷样品室温60Hz时最高电场强度下的电滞回线；
其中，(a)Ba0.3Sr0.7TiO3(实施例1)；(b)Ba0.4Sr0.6TiO3(实施例2)；(c)Ba0.3Sr0.7TiO3(对比例1)；(d)Ba0.4Sr0.6TiO3(对比例2)；阴影部分表示其最高储能密度。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐释本发明。
实施例1
（1）将BaCO3，SrCO3和TiO2原料粉末分别按Ba0.3Sr0.7TiO3化学式称量配料；
（2）将步骤（1）配制好的化学原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水球磨24小时（粒径为100nm～10μm），将球磨后的粉料在干燥箱中烘干后过筛；
（3）将步骤（2）制得的粉末在1150℃煅烧3小时后再次过筛；
（4）将步骤（3）制得的粉末装入直径为10mm的石墨模具，放入放电等离子烧结系统在1000℃、30MPa压力下烧结5分钟。从室温到900℃的升温速率为100℃/min，从900℃到980℃升温速率为40℃/min，980℃到1000℃升温速率为20℃/min，1000℃保温5min，烧结完成后，卸去压力并随炉冷，得到陶瓷烧结体。
（5）将步骤（4）制得的陶瓷烧结体在磨去粘附的石墨纸后在空气中1000℃下热处理2小时。从室温到1000℃的升温速率为5℃/min，1000℃保温2h，1000℃到800℃的降温速率为2℃/min，之后随炉冷，得到钛酸锶钡陶瓷。
对比例1
Ba0.3Sr0.7TiO3陶瓷的传统制备过程：
（1）将BaCO3，SrCO3和TiO2原料粉末分别按Ba0.3Sr0.7TiO3化学式称量配料；
（2）将步骤（1）配制好的化学原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水球磨24小时（粒径为100nm～10μm），将球磨后的粉料在干燥箱中烘干后过筛；
（3）将步骤（2）制得的粉末在1150℃煅烧3小时后再次过筛；
（4）在步骤（3）制得的粉末中加入聚乙烯醇水溶液(polyvinyl alcohol,6～8wt%)作为粘结剂造粒。造粒后过40目筛。运用单向干压法在98MPa的压力下，将造粒后的粉料压制为直径12mm、厚度为1～2mm的胚体，然后置于氧化铝坩埚中在600℃下进行3小时排塑处理(升温速率为5℃/min，自然冷却)。
（5）将步骤（4）制得的排塑后的陶瓷胚体放入以相同成分作为垫料的氧化铝坩埚中，置于高温电炉中在空气环境下1400℃保温烧结3h(升温速率为5℃/min)，控制降温2℃/min至800℃，之后随炉冷，得到Ba0.3Sr0.7TiO3陶瓷。
实施例2
（1）将BaCO3，SrCO3和TiO2原料粉末分别按Ba0.4Sr0.6TiO3化学式称量配料；
（2）将步骤（1）配制好的化学原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水球磨24小时（粒径为100nm～500nm），将球磨后的粉料在干燥箱中烘干后过筛；
（3）将步骤（2）制得的粉末在1150℃煅烧3小时后再次过筛；
（4）将步骤（3）制得的粉末装入直径为10mm的石墨模具，放入放电等离子烧结系统在1000℃、30MPa机械压力下烧结5分钟。从室温到900℃的升温速率为100℃/min，从900℃到980℃升温速率为40℃/min，980℃到1000℃升温速率为20℃/min，1000℃保温5min，烧结完成后，卸去压力并随炉冷，得到陶瓷烧结体。
（5）将步骤（4）制得的陶瓷烧结体在磨去粘附的石墨纸后在空气中1000℃下热处理2小时。从室温到1000℃的升温速率为5℃/min，1000℃保温2h，1000℃到800℃的降温速率为2℃/min，之后随炉冷，得到钛酸锶钡陶瓷。
对比例2
Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷的传统制备过程：
（1）将BaCO3，SrCO3和TiO2原料粉末分别按Ba0.4Sr0.6TiO3化学式称量配料；
（2）将步骤（1）配制好的化学原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水球磨24小时（粒径为100nm～500nm），将球磨后的粉料在干燥箱中烘干后120目过筛；
（3）将步骤（2）制得的粉末在1150℃煅烧3小时后再次120目过筛；
（4）在步骤（3）制得的粉末中加入聚乙烯醇水溶液(polyvinyl alcohol,6～8wt%)作为粘结剂造粒。造粒后过40目筛。运用单向干压法在98MPa的压力下，将造粒后的粉料压制为直径12mm、厚度为1～2mm的胚体，然后置于氧化铝坩埚中在600℃下进行3小时排塑处理(升温速率为5℃/min，自然冷却)。
（5）将步骤（4）制得的排塑后的陶瓷胚体放入以相同成分作为垫料的氧化铝坩埚中，置于高温电炉中在空气环境下1400℃保温烧结3h(升温速率为5℃/min)，控制降温2℃/min至800℃，之后随炉冷，得到Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷。
图1为实施例2Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷样品的烧结温度和轴向位移随放电等离子烧结时间的变化曲线；图2为传统固相烧结（对比例1和对比例2）和放电等离子烧结（实施例1和实施例2）钛酸锶钡陶瓷样品的XRD衍射图谱；图3为实施例2制备的Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷粉末的扫描电镜照片；图4为钛酸锶钡陶瓷样品的抛光热腐蚀表面扫描电镜照片和断面电镜照片；与传统方法相比，本发明方法制备得到的钛酸锶钡陶瓷晶粒尺寸较小，晶粒排布比较致密，也很少有气孔、裂纹等。
将实施例1～2和对比例1～2制备得到的圆柱形电介质陶瓷样品用砂纸磨至相同厚度（0.2～0.3mm），表面喷上金电极后，利用铁电分析仪测量其60Hz频率下的电滞回线（图5），利用积分法计算其储能密度。
表1
| 样品 | 介电击穿强度（kV/cm） | 储能密度（J/cm3） |
| Ba0.3Sr0.7TiO3（实施例1） | 230 | 1.13 |
| Ba0.3Sr0.7TiO3（对比例1） | 140 | 0.57 |
| Ba0.4Sr0.6TiO3（实施例1） | 210 | 1.20 |
| Ba0.4Sr0.6TiO3（对比例2） | 110 | 0.48 |
表1示出了利用本发明的制备方法制得的Ba0.3Sr0.7TiO3陶瓷、Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷以及利用传统烧结方法制备的Ba0.3Sr0.7TiO3陶瓷、Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷在室温、60Hz频率下的介电击穿强度和储能密度，由表1可知，本发明制得的钛酸锶钡陶瓷在室温下储能密度为1.13～1.20J/cm3，而利用传统方法制备的同组分电介质陶瓷的室温下储能密度为0.48～0.57J/cm3，储能密度提高了一倍以上。
Claims (10)
1.一种钛酸锶钡陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：
（1）将原料BaCO3，SrCO3和TiO2按Ba1-xSrxTiO3化学式配料，研磨后烘干，过筛；
（2）将步骤（1）制得的粉料于1100～1250℃煅烧1～5小时后，过筛；
（3）将步骤（2）制得的粉料装入模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境中900～1050℃进行烧结，制得陶瓷烧结体；
（4）空气气氛下，将所述的陶瓷烧结体于800～1100℃热处理1～5小时，制得所述钛酸锶钡陶瓷。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，化学式Ba1-xSrxTiO3中，x=0.6～0.7。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，化学式Ba1-xSrxTiO3中，x=0.6或0.7。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述研磨的方法为：将原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水进行球磨。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，研磨至粒径为100nm～10μm。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述煅烧的温度为1140～1160℃，时间为4～5小时。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为1150℃，时间为3小时。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述烧结的温度为980～1020℃，时间为3～10min。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为1000℃，时间为5min。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述热处理的温度为980～1020℃，时间为1～3小时。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140423 |