CN104609854A

CN104609854A - 一种高介电常数低损耗陶瓷电容器介质及其制备方法

Info

Publication number: CN104609854A
Application number: CN201510059755.3A
Authority: CN
Inventors: 黄瑞南; 林榕; 胡勇; 谢冬桔; 赵明辉
Original assignee: SHANTOU HIGH-NEW DEVELOPMENT ZONE SONGTIAN ENTERPRISE Co Ltd
Current assignee: SHANTOU FREE TRADE ZONE SONGTIAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2035-02-05
Also published as: CN104609854B

Abstract

一种高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征在于由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃ 54-91%，MgSnO₃ 2-13%，SrZrO₃ 2-15%，Nb₂O₅ 0.05-1%，CeO₂ 0.03-1.0%，ZnO 0.1-1.0%，Co₂O₃ 0.03-1.0%，BiScO₃ 2-15%。本发明还提供上述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质的一种制备方法。本发明的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质介电常数高、耐电压高、介质损耗低，在制备和使用过程中对环境无污染，并且能降低高介低损耗陶瓷电容器的成本，适合于制备单片陶瓷电容器和多层片式陶瓷电容器。

Description

一种高介电常数低损耗陶瓷电容器介质及其制备方法

技术领域

本发明涉及电容器的电介质，具体涉及一种高介电常数低损耗陶瓷电容器介质及其制备方法。

背景技术

彩电、计算机、通讯、航空航天、导弹、航海等领域迫切需要击穿电压高、温度稳定性好、可靠性高、小型化、大容量的陶瓷电容器。为了实现陶瓷电容器的小型化和大容量，要求陶瓷电容器介质具有高介电常数；为了实现陶瓷电容器的击穿电压高，要求陶瓷电容器介质的耐电压高；同时，随着人们对身体健康及环境保护的日益重视，要求陶瓷电容器介质在制备、使用及废弃的过程中不会对人体和环境造成危害，因而要求陶瓷电容器介质不含铅、镉等金属元素。

目前，通常用于生产高压高介陶瓷电容器介质中含有一定量的铅，这不仅在陶瓷电容器的生产、使用和废弃过程中对人体和环境造成危害，而且对陶瓷电容器的性能稳定性也有不良影响。有些陶瓷电容器介质虽然不含铅，在陶瓷电容器的生产、使用和废弃过程中对人体和环境的危害较小，但是介电常数太小，且/或耐电压较低，且/或介质损耗较大。综上所述，现有的各种用于陶瓷电容器的介质无法同时满足高介电常数、高耐电压、低损耗及环保等方面的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高介电常数低损耗陶瓷电容器介质以及这种陶瓷电容器介质的制备方法，这种陶瓷介质介电常数高、耐电压高、介质损耗低，并且在使用过程中对环境无污染；本发明提供的陶瓷电容器介质的制备方法，在制备过程中对环境无污染。采用的技术方案如下：

一种高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征在于由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃ 54-91%，MgSnO₃ 2-13%，SrZrO₃ 2-15%，Nb₂O₅ 0.05-1%，CeO₂ 0.03-1.0%，ZnO 0.1-1.0%，Co₂O₃ 0.03-1.0%，BiScO₃ 2-15%。

在一种具体方案中，优选上述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃66-82%，MgSnO₃3-13%，SrZrO₃3-9%，Nb₂O₅0.5-0.8%，CeO₂0.3-0.6%，ZnO 0.3-0.7% ，Co₂O₃ 0.3-0.7%，BiScO₃ 4-10%。

在另一种具体方案中，优选上述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃70-85%，MgSnO₃3-13%，SrZrO₃3-8%，Nb₂O₅0.5-0.8%，CeO₂0.3-0.6%，ZnO 0.3-0.7% ，Co₂O₃ 0.5-0.7%，BiScO₃ 4-10%。

在另一种具体方案中，优选上述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃73-88%，MgSnO₃3-13%，SrZrO₃3-8%，Nb₂O₅0.5-0.8%，CeO₂0.3-0.6%，ZnO 0.3-0.7%，Co₂O₃ 0.3-0.7%，BiScO₃ 4-10%。

优选上述BaTiO₃、MgSnO₃、SrZrO₃、BiScO₃分别采用常规的化学原料以固相法合成。例如：

上述BaTiO₃（钛酸钡）可采用如下工艺制备：按1:1的摩尔比配备BaCO₃和TiO₂，然后对BaCO₃和TiO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和TiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到BaTiO₃。得到的BaTiO₃经研磨并过200目筛，备用。

上述MgSnO₃（锡酸镁）可采用如下工艺制备：按1:1的摩尔比配备MgCO₃和SnO₂，然后对MgCO₃和SnO₂进行研磨并混合均匀，再将MgCO₃和SnO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1280℃下保温120分钟，得到MgSnO₃。得到的MgSnO₃经研磨并过200目筛，备用。

上述SrZrO₃（锆酸锶）可采用如下工艺制备：按1:1的摩尔比配备SrCO₃和ZrO₂，然后对SrCO₃和ZrO₂进行研磨并混合均匀，再将SrCO₃和ZrO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1280℃下保温120分钟，得到SrZrO₃。得到的SrZrO₃经研磨并过200目筛，备用。

上述BiScO₃（钪酸铋）可采用如下工艺制备：按1：1的摩尔比配备Sc₂O₃和Bi₂O₃，然后对Sc₂O₃和Bi₂O₃进行研磨并混合均匀，再将Sc₂O₃和Bi₂O₃的混合物料放入氧化铝坩埚内，于820℃下保温120分钟，得到BiScO₃。得到的BiScO₃经研磨并过200目筛，备用。

本发明还提供上述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质的一种制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

（1）按比例配备BaTiO₃、MgSnO₃、SrZrO₃、Nb₂O₅、CeO₂、ZnO、Co₂O₃和BiScO₃；

（2）将步骤（1）所配备的BaTiO₃、MgSnO₃、SrZrO₃、Nb₂O₅、CeO₂、ZnO、Co₂O₃和BiScO₃粉碎并混合均匀，得到混合料；

（3）对步骤(2)得到的混合料进行烘干；

(4)向经步骤(3)烘干的混合料中加入粘合剂并进行造粒,得到颗粒状物料；

(5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

(6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1230-1250℃的环境下，保温1-4小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到高介电常数低损耗陶瓷电容器介质。

优选上述步骤（1）所配备的BaTiO₃、MgSnO₃、SrZrO₃、BiScO₃采用常规的化学原料用固相法分别合成，具体合成方法（即制备方法）如上文所述。

上述步骤（2）中，可以分别将各种原料粉碎后再混合均匀。也可以将各种原料混合后进行粉碎；随后边粉碎边混合，或完成粉碎后再使各种原料混合均匀。粉碎设备可采用球磨，也可以采用其它粉碎设备。

优选上述步骤（2）中，采用行星球磨机对配备好的原料进行球磨，被球磨的原料、所用球、所用水的重量比例为：原料:球:水=1:3:(0.6－1.0)，球磨过程持续4－8小时。

上述步骤（3）中烘干的目的是去除混合料的水分。优选上述步骤（3）中烘干温度为110℃，烘干时间为12小时。

上述步骤（4）中，粘合剂可采用聚乙烯醇水溶液。优选粘合剂采用浓度为10%(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤（3）烘干的混合料的重量的8－10%。造粒后可过40目筛。

上述步骤（5）中，可采用干压成型技术将步骤（4）得到的颗粒状物料压制成生坯片。优选上述步骤（5）中，在20-30MPa的压力下对颗粒状物料进行干压成型，得到生坯片。干压成型的工作温度通常为室温。

得到的高介低损耗陶瓷电容器介质可用于制作陶瓷电容器。将上述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质置于温度为780－870℃环境下，保温15分钟进行烧银，形成银电极，再焊接引线并进行包封，即得高介低损耗陶瓷电容器。

本发明的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质具有如下优点：不含铅和镉，在使用过程中对环境无污染；介电常数高（介电常数达18700以上），由于介电常数高，因而能实现陶瓷电容器的大容量和小型化，符合陶瓷电容器的发展趋势，能降低陶瓷电容器的成本；耐电压高，直流耐电压可达14kV/mm以上，交流耐电压可达6kV/mm以上，能扩大陶瓷电容器的应用范围；电容温度变化率小，符合Y5V特性的要求，而且介质损耗小（介质损耗小于0.4%），因而陶瓷电容器在使用过程中性能稳定性好，安全性高。

本发明的陶瓷电容器介质的制备方法具有如下优点：烧结温度较低（采用中温烧结，烧结温度为1230－1250℃），大大降低成本；并且利用不含铅和镉的电容器陶瓷普通化学原料制备陶瓷电容器介质，在制备过程中对环境无污染。

总而言之，本发明的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质介电常数高、耐电压高、介质损耗低，在制备和使用过程中对环境无污染，并且能降低高介低损耗陶瓷电容器的成本，适合于制备单片陶瓷电容器和多层片式陶瓷电容器。

具体实施方式

实施例1

首先,以固相法合成BaTiO₃、MgSnO₃、SrZrO₃、BiScO₃。

BaTiO₃采用如下工艺制备：按1:1的摩尔比配备BaCO₃和TiO₂，然后对BaCO₃和TiO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和TiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到BaTiO₃。得到的BaTiO₃经研磨并过200目筛，备用。

MgSnO₃采用如下工艺制备：按1:1的摩尔比配备MgCO₃和SnO₂，然后对MgCO₃和SnO₂进行研磨并混合均匀，再将MgCO₃和SnO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1280℃下保温120分钟，得到MgSnO₃。得到的MgSnO₃经研磨并过200目筛，备用。

SrZrO₃采用如下工艺制备：按1:1的摩尔比配备SrCO₃和ZrO₂，然后对SrCO₃和ZrO₂进行研磨并混合均匀，再将SrCO₃和ZrO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1280℃下保温120分钟，得到SrZrO₃。得到的SrZrO₃经研磨并过200目筛，备用。

BiScO₃采用如下工艺制备：按1：1的摩尔比配备Sc₂O₃和Bi₂O₃，然后对Sc₂O₃和Bi₂O₃进行研磨并混合均匀，再将Sc₂O₃和Bi₂O₃的混合物料放入氧化铝坩埚内，于820℃下保温120分钟，得到BiScO₃。得到的BiScO₃经研磨并过200目筛，备用。

然后，依次按下述步骤制备高介电常数低损耗陶瓷电容器介质：

参照表1，配备的各种原料的重量百分比如下：BaTiO₃80%，MgSnO₃6%，SrZrO₃7.5%，Nb₂O₅0.5%，CeO₂0.4%，ZnO 0.4%，Co₂O₃ 0.8%，BiScO₃ 4.4%；

本实施例中，采用行星球磨机对配备好的原料进行球磨，被球磨的原料、所用球、所用水的重量比例为：原料:球:水=1:3: 0.8，球磨过程持续6小时，得到上述混合料；

（3）对步骤(2)得到的混合料进行烘干；

本实施例中，烘干温度为110℃，烘干时间为12小时；

本实施例中，粘合剂采用浓度为10%(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤（3）烘干的混合料的重量的10%；造粒后过40目筛；

(5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

本实施例中，在25MPa的压力下对颗粒状物料进行干压成型，得到生坯片；

(6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1240℃的环境下，保温3小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到高介电常数低损耗陶瓷电容器介质。得到的高介低损耗陶瓷电容器介质可用于制作陶瓷电容器。

将上述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质置于温度为800℃环境下，保温15分钟进行烧银，形成银电极，再焊接引线并进行包封，即得高介低损耗陶瓷电容器。

实施例2

本实施例中，BaTiO₃、MgSnO₃、SrZrO₃、BiScO₃的制备工艺与实施例1相同。

本实施例中，高介电常数低损耗陶瓷电容器介质的制备方法依次包括下述步骤：

参照表1，配备的各种原料的重量百分比如下：BaTiO₃54%，MgSnO₃13%，SrZrO₃15%，Nb₂O₅0.8%，CeO₂1%，ZnO 1.0%，Co₂O₃ 1%，BiScO₃ 14.2%；

本实施例中，采用行星球磨机对配备好的原料进行球磨，被球磨的原料、所用球、所用水的重量比例为：原料:球:水=1:3: 0.6，球磨过程持续8小时，得到上述混合料；

（3）对步骤(2)得到的混合料进行烘干；

本实施例中，烘干温度为110℃，烘干时间为12小时；

本实施例中，粘合剂采用浓度为10%(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤（3）烘干的混合料的重量的8%；造粒后过40目筛；

(5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

本实施例中，在20MPa的压力下对颗粒状物料进行干压成型，得到生坯片；

(6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1230℃的环境下，保温4小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到高介电常数低损耗陶瓷电容器介质。得到的高介低损耗陶瓷电容器介质可用于制作陶瓷电容器。

将上述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质置于温度为870℃环境下，保温15分钟进行烧银，形成银电极，再焊接引线并进行包封，即得高介低损耗陶瓷电容器。

实施例3

参照表1，配备的各种原料的重量百分比如下：BaTiO₃91%，MgSnO₃3%，SrZrO₃2.5%，Nb₂O₅0.06%，CeO₂0.1%，ZnO 0.34%，Co₂O₃ 0.5%，BiScO₃ 2.5%；

本实施例中，采用行星球磨机对配备好的原料进行球磨，被球磨的原料、所用球、所用水的重量比例为：原料:球:水=1:3: 1，球磨过程持续4小时，得到上述混合料；

（3）对步骤(2)得到的混合料进行烘干；

本实施例中，烘干温度为110℃，烘干时间为12小时；

本实施例中，粘合剂采用浓度为10%(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤（3）烘干的混合料的重量的9%；造粒后过40目筛；

(5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

本实施例中，在30MPa的压力下对颗粒状物料进行干压成型，得到生坯片；

(6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1250℃的环境下，保温2小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到高介电常数低损耗陶瓷电容器介质。得到的高介低损耗陶瓷电容器介质可用于制作陶瓷电容器。

实施例4-9

实施例4-9中，各种原料的用量如表1所示。利用上述原料制备高介低损耗陶瓷电容器介质的方法可参考实施例1－3，各步骤中的温度、时间、压力等工艺条件可根据实际情况进行调整。

上述实施例1-9制得的高介低损耗陶瓷电容器介质的性能参数如表2所示。

从表2可以看出本发明的高介低损耗陶瓷电容器介质的耐电压高，可达14kV/mm(直流电压,DC)以上、6kV/mm(交流电压，AC)以上；介电常数为18700以上；介质损耗小于0.4%；电容温度变化率小，符合Y5V特性的要求。

表1 本发明各实施例的原料配方

表2 本发明各实施例制得的陶瓷电容器介质的性能参数

Claims

1.一种高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征在于由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃ 54-91%，MgSnO₃ 2-13%，SrZrO₃ 2-15%，Nb₂O₅ 0.05-1%，CeO₂ 0.03-1.0%，ZnO 0.1-1.0%，Co₂O₃ 0.03-1.0%，BiScO₃ 2-15%。

2.根据权利要求1所述的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征是在于所述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃66-82%，MgSnO₃3-13%，SrZrO₃3-9%，Nb₂O₅0.5-0.8%，CeO₂0.3-0.6%，ZnO 0.3-0.7% ，Co₂O₃ 0.3-0.7%，BiScO₃ 4-10%。

3.根据权利要求1所述的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征是在于所述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃70-85%，MgSnO₃3-13%，SrZrO₃3-8%，Nb₂O₅0.5-0.8%，CeO₂0.3-0.6%，ZnO 0.3-0.7% ，Co₂O₃ 0.5-0.7%，BiScO₃ 4-10%。

4.根据权利要求1所述的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征是在于所述高介电常数低损耗陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO₃73-88%，MgSnO₃3-13%，SrZrO₃3-8%，Nb₂O₅0.5-0.8%，CeO₂0.3-0.6%，ZnO 0.3-0.7%，Co₂O₃ 0.3-0.7%，BiScO₃ 4-10%。

5.根据权利要求1－4任一项所述的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征是在于：所述BaTiO₃采用如下工艺制备：按1:1的摩尔比配备BaCO₃和TiO₂，然后对BaCO₃和TiO₂进行研磨并混合均匀，再将BaCO₃和TiO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到BaTiO₃。

6.根据权利要求1－4任一项所述的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征是在于：所述MgSnO₃采用如下工艺制备：按1:1的摩尔比配备MgCO₃和SnO₂，然后对MgCO₃和SnO₂进行研磨并混合均匀，再将MgCO₃和SnO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1280℃下保温120分钟，得到MgSnO₃。

7.根据权利要求1－4任一项所述的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征是在于：所述SrZrO₃采用如下工艺制备：按1:1的摩尔比配备SrCO₃和ZrO₂，然后对SrCO₃和ZrO₂进行研磨并混合均匀，再将SrCO₃和ZrO₂的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1280℃下保温120分钟，得到SrZrO₃。

8.根据权利要求1－4任一项所述的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质，其特征是在于：所述BiScO₃采用如下工艺制备：按1：1的摩尔比配备Sc₂O₃和Bi₂O₃，然后对Sc₂O₃和Bi₂O₃进行研磨并混合均匀，再将Sc₂O₃和Bi₂O₃的混合物料放入氧化铝坩埚内，于820℃下保温120分钟，得到BiScO₃。

9.权利要求1－4任一项所述的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质的制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

（3）对步骤(2)得到的混合料进行烘干；

(5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

10.根据权利要求9所述的高介电常数低损耗陶瓷电容器介质的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，粘合剂采用浓度为10%(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤（3）烘干的混合料的重量的8－10%。