CN104591727A - 一种高耐压陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
一种高耐压陶瓷材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104591727A CN104591727A CN201510061726.0A CN201510061726A CN104591727A CN 104591727 A CN104591727 A CN 104591727A CN 201510061726 A CN201510061726 A CN 201510061726A CN 104591727 A CN104591727 A CN 104591727A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stupalith
- withstand voltage
- cao
- height
- preparation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Inorganic Insulating Materials (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
本发明涉及一种高耐压陶瓷材料及其制备方法，所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的组成通式为xNb2O5-yCaO-zBi2O3+αA，其中，x+y+z=1，0.2≦x≦0.7，0.1≦y≦0.6，0.2≦z≦0.7，掺杂的A包括Y、K、La、W、Mn中至少一种，α≤0.1。
Description
技术领域
本发明涉及一系列高耐压、低介电损耗、高电容温度稳定性的掺杂Nb2O5-CaO-Bi2O3系的陶瓷材料，可用于储能、信号处理、电子线路、探测器、传感器、脉冲功率等领域。
背景技术
高耐压电容材料在诸如能量储存、信号处理、电子线路、传感器、脉冲功率技术等领域有重要应用。在能量储存方面，为了获得更高的能量密度，人们需要材料具有高介电常数、高耐压击穿强度和低介电损耗[1]。在常见的介电材料中，陶瓷通常具有较高的介电常数，但耐压击穿强度较低，如典型的BaTiO3铁电体陶瓷，常温下具有很高的介电常数(～2000)，但其击穿强度较低(～5kV/mm)[2]；以聚丙烯为代表的聚合物材料具有高耐压击穿强度(≥100kV/mm)，但其介电常数却非常小(3～5)；陶瓷/聚合物复合体能兼具两类材料的特性，汤清华等人研究了BaTiO3/PE陶瓷/有机聚合物复合介质材料，获得了较高的耐压击穿强度(≥60kV/mm)，其介电常数虽有提高但仍较低(20～30)[3,4]；铁电体玻璃陶瓷也能兼具较高的介电常数和高耐压击穿强度，但其界面极化问题导致的较小能量存储密度仍待人们深入研究[5-7]。另外，Bi2O3-ZnO-Nb2O5陶瓷在室温附近的介电常数变化较大从而导致电容变化也较大，而Bi2O3-CaO-ZnO-Nb2O5系陶瓷也鲜见有兼具宽温区稳定介电性能和高耐压性能的报道[8]。此外，在如脉冲功率技术中，耐高电压的大电容组常用来提供脉冲功率应用需要的大电流，而为了达到减小系统重量和体积，就需要较高的介电常数、耐压击穿强度和高电容温度稳定性的介质材料[9,10]。因此，寻找一种同时兼具高耐压、低介电损耗、高电容温度稳定性的介电材料具有非常重要的意义。
参考文献
[1]Mengjie Wang,Yong Zhang,Xiaolin Liu,Xiangrong Wang“Crystallization mechansim and acconductivity studies on strontium barium niobate glass-ceramics”Ceramics International 392069-2076(2013)；
[2]Byoungchul Shin,and Ho-Gi Kim“Dielectric breakdown and partical discharge in BaTiO3ceramics”IEEE 1986,474-477；
[3]汤清华,"高储能密度电容器复合介质材料的研究"华中理工大学学报,1996.24(3)64-67；
[4]S.J.Rzad,S.M.Gasworth,C.W.Reed,M.W.Devre“Advanced materials for high energydensity capacitors”IEEE,1992,358-362；
[5]Jiajia Huang,Yong Zhang,Tao Ma,Hongtao Li,and Linwen Zhang“Correlation betweendielectric breakdown strength and interface polarization in barium strongtium titanate glassceramics”Applied Physics Letters 96,042902(2010)；
[6]Yong Zhang,“Interfacial polarization arising from two contributions in glass added bariumtitanate ceramics”J Mater Sci:Mater Electron(2012)23:2301–2305；
[7]Mengjie Wang,Xiaolin Liu,Xiaorong Wang,Yong Zhang“Influence of crystallization time onmicrostructures and dielectric properties of tungsten-bronze glass-ceramics”J Mater Sci(2012)47:2535–2540；
[8]刘璞凌,"La替代对Bi2O3-ZnO-Nb2O5陶瓷介电性能的影响"功能材料与器件学报,2007.13(1)78-81；
[9]A.J.McPhee,J.R.Tidmarsh,S.J.MacGregor“Solid dielectric material considerations in thedesign of repetitive pulsed power transmission line systems”7th International Conference onDielectric Materials Measurements & Applications,1996,23-26；
[10]K.M.Slenes,P.Winsor“Pulsed power capability of high energy density capacitors based on anew dielectric material”IEEE Transactions on Magnetics,2001,37(1):768-784。
发明内容
本发明旨在克服现有介电材料无法实现同时兼具高耐压、低介电损耗、高电容温度稳定性的性能缺陷，本发明提供了一种高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料及其制备方法。
本发明提供了一种高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料，所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的组成通式为xNb2O5-yCaO-zBi2O3+αA，其中，x+y+z＝1，0.2≦x≦0.7，0.1≦y≦0.6，0.2≦z≦0.7，掺杂的A包括Y、K、La、W、Mn中至少一种，α≤0.1。
较佳地，所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的介电常数变动于80～300。
较佳地，所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的介电损耗在温度-50～50℃范围内小于1％。
较佳地，1.5毫米厚的高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的耐脉冲电压值变动于1～2.5万伏之间。
较佳地，所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的电容值在温度-50～50℃范围内变化不大于5％。
又，本发明还提供了一种高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的制备方法，包括：
1)按高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的组成通式，称取Nb2O5、CaCO3、Bi2O3、以及A的氧化物作为原料，均匀混合后，在700-1000℃下保温规定时间；
2)将步骤1)中经保温处理的原料粉碎后湿法球磨、干燥，然后加入粘结剂、造粒、压制得到陶瓷素坯；
3)将步骤2)制备的素坯，在氧气气氛、1100℃以上烧结，得到所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料。
较佳地，步骤1)中，保温1-4小时。
较佳地，步骤2)中，粘结剂包括聚乙烯醇PVA。
较佳地，步骤2)中，陶瓷素坯为在1-3T/cm2的压力下压制得到的直径为10-30mm的圆片。
较佳地，步骤3)中，烧结时间2小时以上。
本发明的有益效果：
我们首先通过采用新的组成配方烧结制得了综合性能较佳的掺杂Nb2O5-CaO-Bi2O3系陶瓷，其介电常数变动于80～300，介电损耗在温度-50～50℃范围内小于1％，耐脉冲电压值变动于1～2.5万伏之间(1.5毫米陶瓷厚度)，电容值在温度-50～50℃范围内变化不大于5％，是一个很有价值的高耐压陶瓷材料系统。
附图说明
图1示出了本发明中xNb2O5-yCaO-zBi2O3体系陶瓷的摩尔比三元相图，图中灰色区域为x、y、z取值范围；
图2示出了本发明中制备的某种陶瓷配方的断面SEM图；
图3示出了本发明中制备的某种陶瓷配方的介电温谱；
图4示出了本发明中制备的某种陶瓷配方的电容温度曲线；
图5示出了本发明中制备的某种陶瓷配方的介电损耗温度曲线。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明的目的是为了提供一类具有高耐压、低介电损耗、高电容温度稳定性的陶瓷材料，可用于储能、信号处理、电子线路、探测器、传感器、脉冲功率等领域。
本发明为一系列高耐压、低介电损耗、高电容温度稳定性的掺杂Nb2O5-CaO-Bi2O3系的陶瓷材料。该系列材料的组成通式为：xNb2O5-yCaO-zBi2O3+αA。其中A表示1molxNb2O5-yCaO-zBi2O3中掺杂αmol的A,x+y+z＝1,x、y、z取值范围见相图所示区域(图1)；A为Y、K、La、W、Mn中的一种或多种，α取值范围为α≤0.1。
本发明的高耐压陶瓷材料系列，随x、y、z的变化，其介电常数变动于80～300，介电损耗在温度-50～50℃范围内小于1％，耐脉冲电压值变动于1～2.5万伏之间(1.5毫米陶瓷厚度)，电容值在温度-50～50℃范围内变化不大于5％。因此，本掺杂的xNb2O5-yCaO-zBi2O3+αA是一类有应用价值的高耐压、低介电常数和损耗、高电容温度稳定性陶瓷材料。
本发明的陶瓷材料的制备方法为传统氧化物合成及烧结工艺。具体过程包括：
(1)配料：采用CP或AR级的Nb2O5、CaCO3、Bi2O3、Y2O3、La2O3、MnO2、WO3等为原料，按xNb2O5-yCaO-zBi2O3+αA的化学计量比精确称量；
(2)球磨混合：用无水乙醇做介质，行星球磨5小时以上。出料干燥；
(3)合成：粉料装在刚玉坩埚中，在700-1000℃保温1-4小时合成；
(4)合成料球磨：合成料粉碎，过40目筛，用无水乙醇做介质，用行星球磨机球磨4-6小时。出料干燥。成型：粉料加粘结剂，手工造粒，用2T/cm2的压力压制成直径20mm的圆片；
(5)通氧烧结：在通氧气氛中，1100℃以上烧结2小时以上。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，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。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1：
按通式xNb2O5-yCaO-zBi2O3+αA。其中A表示1mol xNb2O5-yCaO-zBi2O3中掺杂αmol的A,x+y+z＝1,x、y、z取值范围见相图所示区域(图1)；A为Y、K、La、W、Mn中的一种或多种；
取x＝0.35，y＝0.31，z＝0.34，A为W，α＝0.01，采用CP或AR级的化学试剂Nb2O5、CaCO3、Bi2O3、WO3为原料，充分干燥后，按上式化学计量称量；
用无水乙醇做介质，球磨混合3小时。干燥，过筛，粉料在刚玉坩埚中，在850℃/2小时合成。然后粉碎过筛，球磨3小时，干燥，加粘结剂，干压成型，排塑后，采用上述通氧烧结法烧成。其介电常数为90左右且随频率变化不大，见图3；介电损耗在温度-50～50℃范围内小于1％且高频下具有更小值，见图5；电容值在温度-50～50℃范围内变化不大于5％且高频下具有更小值，见图4。
实施例2：
按通式xNb2O5-yCaO-zBi2O3+αA，取x＝0.31，y＝0.27，z＝0.42，A为0.03mol Mn和0.01molLa，α＝0.03+0.01，采用CP或AR级的化学试剂Nb2O5、CaCO3、Bi2O3、MnO2、La2O3为原料，充分干燥后，按上式化学计量称量；
用无水乙醇做介质，球磨混合5小时。干燥，过筛，粉料在刚玉坩埚中，在800℃/3小时合成。然后粉碎过筛，球磨5小时，干燥，加粘结剂，干压成型，排塑后，采用上述通氧烧结法烧成。其介电常数为110左右；陶瓷呈现非常致密的微结构，见图2；1.5mm厚度陶瓷耐脉冲高压值达2万伏。
表1本发明陶瓷体系中几组典型配方的耐高压值
| xNb2O5-yCaO-zBi2O3 | αA | 耐高压脉冲(万伏) |
| x＝0.33，y＝0.29，z＝0.38 | A：W α＝0.015 | 1.8 |
| x＝0.31，y＝0.27，z＝0.42 | A：Mn、La α＝0.03+0.01 | 2 |
| x＝0.34，y＝0.35，z＝0.31 | A：Y、K α＝0.025+0.025 | 1.4 |
Claims (10)
1.一种高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料，其特征在于，所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的组成通式为xNb2O5-yCaO-zBi2O3+αA，其中，x+y+z=1，0.2≦x≦0.7，0.1≦y≦0.6，0.2≦z≦0.7，掺杂的A包括Y、K、La、W、Mn中至少一种，α≤0.1。
2.根据权利要求1所述的高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料，其特征在于，所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的介电常数变动于80-300。
3.根据权利要求1或2所述的高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料，其特征在于，所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的介电损耗在温度-50-50℃范围内小于1%。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料，其特征在于，1.5毫米厚的高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的耐脉冲电压值变动于1-2.5万伏之间。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料，其特征在于，所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的电容值在温度-50-50℃范围内变化不大于5%。
6.一种权利要求1-5中任一所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：
1）按高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料的组成通式，称取Nb2O5、CaCO3、Bi2O3、以及A的氧化物作为原料，均匀混合后，在700-1000℃下保温规定时间；
2）将步骤1）中经保温处理的原料粉碎后湿法球磨、干燥，然后加入粘结剂、造粒、压制得到陶瓷素坯；
3）将步骤2）制备的素坯，在氧气气氛、1100℃以上烧结，得到所述高耐压Nb2O5-CaO-Bi2O3陶瓷材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，保温规定时间为保温1-4小时。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，粘结剂包括聚乙烯醇PVA。
9.根据权利要求6-8中任一所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，陶瓷素坯为在1-3T/cm2的压力下压制得到的直径为10-30mm的圆片。
10.根据权利要求6-9中任一所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，烧结时间为2小时以上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510061726.0A CN104591727B (zh) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | 一种高耐压陶瓷材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510061726.0A CN104591727B (zh) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | 一种高耐压陶瓷材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104591727A true CN104591727A (zh) | 2015-05-06 |
| CN104591727B CN104591727B (zh) | 2016-09-07 |
Family
ID=53117839
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510061726.0A Active CN104591727B (zh) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | 一种高耐压陶瓷材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104591727B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109057920A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-21 | 山东奥福环保科技股份有限公司 | 陶瓷捕集件、颗粒物捕集器、车辆及船只 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1532166A (zh) * | 2003-03-21 | 2004-09-29 | 广东风华高新科技集团有限公司 | 高介电常数陶瓷粉料及陶瓷电容器的制造方法 |
| CN103172364A (zh) * | 2011-12-22 | 2013-06-26 | 深圳市大富科技股份有限公司 | 一种微波介质陶瓷材料的制备方法 |
| CN104177083A (zh) * | 2014-08-07 | 2014-12-03 | 北京元六鸿远电子技术有限公司 | 用于中温烧结具有偏压特性的温度稳定x8r型mlcc介质材料 |
-
2015
- 2015-02-05 CN CN201510061726.0A patent/CN104591727B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1532166A (zh) * | 2003-03-21 | 2004-09-29 | 广东风华高新科技集团有限公司 | 高介电常数陶瓷粉料及陶瓷电容器的制造方法 |
| CN103172364A (zh) * | 2011-12-22 | 2013-06-26 | 深圳市大富科技股份有限公司 | 一种微波介质陶瓷材料的制备方法 |
| CN104177083A (zh) * | 2014-08-07 | 2014-12-03 | 北京元六鸿远电子技术有限公司 | 用于中温烧结具有偏压特性的温度稳定x8r型mlcc介质材料 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109057920A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-21 | 山东奥福环保科技股份有限公司 | 陶瓷捕集件、颗粒物捕集器、车辆及船只 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104591727B (zh) | 2016-09-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11292747B2 (en) | Barium strontium titanate-based dielectric ceramic materials, preparation method and application thereof | |
| CN104529430B (zh) | 二氧化钛基复合陶瓷介电材料及其制备方法与应用 | |
| Xu et al. | Effect of MgO–CaO–Al2O3–SiO2 glass additive on dielectric properties of Ba0. 95Sr0. 05Zr0. 2Ti0. 8O3 ceramics | |
| CN109133915A (zh) | 一种高储能钛酸钡基介质材料及其制备方法 | |
| Chen et al. | Dielectric characteristics and their field dependence of (Ba, Ca) TiO3 ceramics | |
| CN109694248A (zh) | 高抗电强度无铅储能介质陶瓷材料及其制备方法 | |
| US10759704B2 (en) | Large-size, high-dielectric breakdown strength titanium oxide based dielectric ceramic materials, preparation method and application thereof | |
| CN101328061A (zh) | 高介电y5v型三稀土掺杂钛酸钡陶瓷材料及其制备方法 | |
| Puli et al. | Effect of lead borosilicate glass addition on the crystallization, ferroelectric and dielectric energy storage properties of Ba0. 9995La0. 0005TiO3 ceramics | |
| CN107473732A (zh) | 一种钛酸锶基高储能密度和低介电损耗陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN113045307B (zh) | 一种高介电低损耗钛酸钡基陶瓷及其制备方法 | |
| Chunhong et al. | Rare earth doped CaCu3Ti4O12 electronic ceramics for high frequency applications | |
| CN111253151B (zh) | 具有高储能密度和高功率密度的铁酸铋钛酸钡基陶瓷及制备方法 | |
| CN109456058B (zh) | 一种锆钛酸钡和铌锌酸钡的复合电容器瓷料及其制备方法 | |
| Chen et al. | Effect of Y2O3 and Dy2O3 on dielectric properties of Ba0. 7 Sr0. 3 TiO3 series capacitor ceramics | |
| CN104591727A (zh) | 一种高耐压陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN101503293B (zh) | 一种掺杂钛酸锶钡高介电性铁电陶瓷材料及其制备方法 | |
| Choudhury et al. | Structural, dielectric and electrical properties of zirconium doped barium titanate perovskite | |
| CN108516827B (zh) | 一种无铅高介电储能密度和高储能效率的陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN103641477B (zh) | 一种反铁电储能陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN115959904B (zh) | 一种用于制备小损耗超高压交流瓷介电容器的介质材料及其制备方法 | |
| Saari et al. | Dielectric Breakdown Strength and Energy Storage Density of CCTO-ZBS Electroceramic | |
| Li et al. | The Effect of B2O3–Li2CO3 Addition on Sintering Behavior and Dielectric Properties of Ba 0.6 Sr0. 4TiO3 Ceramics | |
| Zhang et al. | Structural and dielectric properties of Sb2O3-doped (Ba0. 992− xSrxY0. 008) TiO3. 004 ceramics | |
| Tang et al. | Low‐Temperature Sintering and Microwave Dielectric Properties of MgZrNb2O8 Ceramics with BaCu (B2O5) Addition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |