CN104177060B - 一种玻璃陶瓷复合绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料科学领域，旨在提供一种玻璃陶瓷复合绝缘材料及其制备方法。本发明中的玻璃陶瓷复合绝缘材料的化学表达式为(1-x)Mg₂SnO₄–xCBS，其中CBS为CaO-B₂O₃-SiO₂，x＝20～40wt％，所述CaO-B₂O₃-SiO₂中各个组分及其摩尔含量分别为：SiO₂占40～50％，B₂O₃占10～20％，CaO占40％。本发明的有益效果是：由于CBS玻璃具有软化点低、介电性能优良等特点，可作为烧结助剂降低陶瓷绝缘材料的烧结温度；加入CBS玻璃组分，在升温过程中玻璃熔融，形成玻璃液相，显著降低Mg₂SnO₄材料的烧结温度。

Description

一种玻璃陶瓷复合绝缘材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种玻璃陶瓷复合绝缘材料及其制备方法。

背景技术

玻璃陶瓷复合绝缘材料，在高压输电线路绝缘、微电子封装等领域有着广泛应用。所述绝缘部件的生产和应用要求采用的绝缘材料既要有良好的电学和热学性能，又要有良好的工艺特性。Mg₂SnO₄陶瓷具有较低的介电常数(8.41)和低介电损耗(<10^-3)，是一种最近开发的新型绝缘电介质材料。然而，其烧结温度很高(1550℃)，较难烧结，大大消耗了能源。

因此，如何实现Mg₂SnO₄陶瓷低温烧结是降低能耗和减少生产成本的关键所在。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种玻璃陶瓷复合绝缘材料及其制备方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种玻璃陶瓷复合绝缘材料，所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的化学表达式为(1-x)Mg₂SnO₄–xCBS，其中CBS为CaO-B₂O₃-SiO₂，x＝20～40wt％，所述CaO-B₂O₃-SiO₂中各个组分及其摩尔含量分别为：SiO₂占40～50％，B₂O₃占10～20％，CaO占40％。

本发明中，还提供一种基于所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)取原料SnO₂和MgO，且其摩尔比为1∶2，进行球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中以1200℃进行烧制，然后球磨制得Mg₂SnO₄粉末；

(2)取SiO₂、H₃BO₃和CaCO₃进行配制：B₂O₃以H₃BO₃形式引入，B₂O₃与引入的H₃BO₃摩尔比为1:2；CaO以CaCO₃形式引入，CaCO₃与CaO摩尔比为1:1；球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中以1400℃熔制4小时，将熔制好的玻璃水淬进行粉碎，即得到CBS玻璃粉末；

(3)将步骤(2)得到的CBS玻璃粉末与步骤(1)得到的Mg₂SnO₄粉末以质量比x：(1-x)进行称取，其中x＝20～40wt％，球磨混料4h；

(4)将混合后的粉末，加入5～10wt％聚乙烯醇粘合剂，造粒，依次经60目筛网与100目筛网过筛，得到所需粉末；

(5)将步骤(4)制得粉末进行加压成形，制备出直径12mm、厚度7mm的坯体；

(6)将步骤(5)制得的坯体以2℃/min升温到550℃并保温1h，然后以5℃/min升温到1200～1300℃并保温烧结1h，即得到所需的玻璃陶瓷复合绝缘材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于CaO-B₂O₃-SiO₂(简称CBS)玻璃具有软化点低(约690℃)、介电性能优良等特点，可作为烧结助剂降低陶瓷绝缘材料的烧结温度；加入CaO-B₂O₃-SiO₂(简称CBS)玻璃组分，在升温过程中玻璃熔融，形成玻璃液相，显著降低Mg₂SnO₄材料的烧结温度。另外，由于CBS玻璃组分烧结后具有良好的介电性能，从而使Mg₂SnO₄/CBS复合绝缘材料保持了良好的介电、热学性能：介电常数ε≈7.6(1MHz)，介电损耗tanδ<5×10^-3(1MHz)，绝缘电阻率ρ>5×10¹²Ω·cm，热导率k>1W/m·K。所制得的玻璃陶瓷绝缘材料能满足高压输电线路绝缘、微电子基板、电容等应用需求。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1：

所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的化学表达式为(1-x)Mg₂SnO₄–xCBS，其中CBS为CaO-B₂O₃-SiO₂，x＝20wt％，所述CaO-B₂O₃-SiO₂中各个组分及其摩尔含量分别为：SiO₂占40％，B₂O₃占20％，CaO占40％。

所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的制备方法，依次进行以下步骤：

1)按摩尔比为SnO₂:MgO＝1:2称取，用球磨混料机进行球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中以1200℃烧制，球磨制备Mg₂SnO₄粉末。

2)称量SiO₂、B₂O₃(以H₃BO₃形式引入，且B₂O₃与引入的H₃BO₃摩尔比为1:2)和CaO(以CaCO₃形式引入，且CaCO₃与CaO摩尔比为1:1)摩尔含量分别为40％、20％和40％，用球磨混料机进行球磨混料4h，在1400℃下在氧化铝坩埚中熔制4h；将熔制好的玻璃水淬进行粉碎，即得到CBS玻璃粉末。

3)称量Mg₂SnO₄和CBS粉末质量含量分别为80wt％和20wt％混合，用球磨混料机进行球磨混料4h，将混合后的粉末加入5wt％聚乙烯醇粘合剂，然后用造粒机进行造粒，依次经60目与100目筛网过筛，得到所需粉末。

4)称量上一步骤所制得的粉末，在压片机下压制出直径12mm、厚度7mm的坯体；坯体以2℃/min升温到550℃并保温1h，然后以5℃/min升温到1250℃并保温1h，即得本发明所述玻璃陶瓷复合绝缘材料。

按照前述配方和步骤制得的玻璃陶瓷复合绝缘材料，各项性能指标为：烧结温度1250℃，介电常数ε＝7.66(1MHz)，介电损耗tanδ＝2.87×10^-3(1MHz)，绝缘电阻率ρ＝7.14×10¹²Ω·cm，热导率k>1W/m·K。

实施例2：

所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的化学表达式为(1-x)Mg₂SnO₄–xCBS，其中CBS为CaO-B₂O₃-SiO₂，x＝25wt％，所述CaO-B₂O₃-SiO₂中各个组分及其摩尔含量分别为：SiO₂占45％，B₂O₃占15％，CaO占40％。

所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的制备方法，依次进行以下步骤：

1)按摩尔比为SnO2:MgO＝1:2称取，用球磨混料机进行球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中在1200℃烧制，球磨制备Mg₂SnO₄粉末。

2)称量SiO₂、B₂O₃(以H₃BO₃形式引入，且B₂O₃与引入的H₃BO₃摩尔比为1:2)和CaO(以CaCO₃形式引入，且CaCO₃与CaO摩尔比为1:1)摩尔含量分别为45％、15％和40％，用球磨混料机进行球磨混料4h，在1400℃下在氧化铝坩埚中熔制4h，将熔制好的玻璃水淬进行粉碎，即得到CBS玻璃粉末。

3)称量Mg₂SnO₄和CBS粉末质量含量分别为75wt％和25wt％混合，用球磨混料机进行球磨混料4h，将混合后的粉末加入10wt％聚乙烯醇粘合剂，然后用造粒机进行造粒，依次经60目与100目筛网过筛，得到所需粉末。

4)称量上一步骤所得粉末，在压片机下压制成直径12mm、厚度7mm的坯体；坯体以2℃/min升温到550℃并保温1h，然后以5℃/min升温到1300℃并保温烧结1h；即得本发明所述玻璃陶瓷复合绝缘材料。

按照前述配方和步骤制得的玻璃陶瓷复合绝缘材料，各项性能指标为：烧结温度1300℃，介电常数ε＝7.62(1MHz)，介电损耗tanδ＝2.1×10^-3(1MHz)，绝缘电阻率ρ＝5.84×10¹²Ω·cm，热导率k>1W/m·K。

实施例3：

所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的化学表达式为(1-x)Mg₂SnO₄–xCBS，其中CBS为CaO-B₂O₃-SiO₂，x＝40wt％，所述CaO-B₂O₃-SiO₂中各个组分及其摩尔含量分别为：SiO₂占50％，B₂O₃占10％，CaO占40％。

所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的制备方法，依次进行以下步骤：

1)按摩尔比为SnO2:MgO＝1:2称取，用球磨混料机进行球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中在1200℃烧制，球磨制备Mg₂SnO₄粉末。

2)称量SiO₂、B₂O₃(以H₃BO₃形式引入，且B₂O₃与引入的H₃BO₃摩尔比为1:2)和CaO(以CaCO₃形式引入，且CaCO₃与CaO摩尔比为1:1)摩尔含量分别为50％、10％和40％，在1400℃下在氧化铝坩埚中熔制4h，将熔制好的玻璃水淬进行粉碎，得到CBS玻璃粉末。

3)称量Mg₂SnO₄和CBS粉末质量含量分别为60wt％和40wt％混合，用球磨混料机进行球磨混料4小时，将混合后的粉末加入7.5wt％聚乙烯醇粘合剂，然后用造粒机进行造粒，依次经60目与100目筛网过筛，得到所需粉末。

4)称量上一步骤所得粉末，在压片机下压制成直径12mm、厚度7mm的坯体；坯体以2℃/min升温到550℃并保温1h，然后以5℃/min升温到1200℃并保温烧结1h，即得本发明所述玻璃陶瓷复合绝缘材料。

按照前述配方和步骤制得的玻璃陶瓷复合绝缘材料，各项性能指标为：烧结温度1200℃，介电常数ε＝7.51(1MHz)，介电损耗tanδ＝4.47×10^-3(1MHz)，绝缘电阻率ρ＝5.91×10¹²Ω·cm,热导率k>1W/m·K。

因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。

Claims (2)

1.一种玻璃陶瓷复合绝缘材料，其特征在于，所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的化学表达式为(1-x)Mg₂SnO₄–xCBS，其中CBS为CaO-B₂O₃-SiO₂，x＝20～40wt％，所述CaO-B₂O₃-SiO₂中各个组分及其摩尔含量分别为：SiO₂占40～50％，B₂O₃占10～20％，CaO占40％。

2.一种基于权利要求1中所述的玻璃陶瓷复合绝缘材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)取原料SnO₂和MgO，且其摩尔比为1∶2，进行球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中以1200℃进行烧制，然后球磨制得Mg₂SnO₄粉末；

(2)取SiO₂、H₃BO₃和CaCO₃进行配制：B₂O₃以H₃BO₃形式引入，B₂O₃与引入的H₃BO₃摩尔比为1:2；CaO以CaCO₃形式引入，CaCO₃与CaO摩尔比为1:1；球磨混料4h，然后放入氧化铝坩埚中以1400℃熔制4小时，将熔制好的玻璃水淬进行粉碎，即得到CBS玻璃粉末；

(3)将步骤(2)得到的CBS玻璃粉末与步骤(1)得到的Mg₂SnO₄粉末以质量比x∶(1-x)进行称取，其中x＝20～40wt％，球磨混料4h；

(4)将步骤(3)中混合后的粉末，加入5～10wt％聚乙烯醇粘合剂，造粒，依次经60目筛网与100目筛网过筛，得到小于100目的粉末；

(5)将步骤(4)制得粉末进行加压成形，制备出直径12mm、厚度7mm的坯体；

(6)将步骤(5)制得的坯体以2℃/min升温到550℃并保温1h，然后以5℃/min升温到1200～1300℃并保温烧结1h，即得到所需的玻璃陶瓷复合绝缘材料。