CN105236957A - 一种y8r型多层陶瓷电容器介质材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料及其制备方法，首先制备纯相的BaTiO₃粉体和纯相的BiYO₃粉体；然后将BaTiO₃粉体和BiYO₃粉体按照BaTiO₃+xmol％BiYO₃混合后与锆球石及去离子水混合依次进行球磨、烘干、造粒、过筛，形成造粒料，其中x＝12～20，xmol％表示摩尔百分比；造粒料在120MPa的压强下制成试样，然后进行一次烧结；打磨、清洗一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，进行二次烧结，得到Y8R型多层陶瓷电容器介质材料。本发明方法制得的Y8R型陶瓷电容器材料，不但制备工艺简单，材料成本低，而且具有较高的介电常数、低的介电损耗、体电阻率大、良好温度稳定性，有可能成为替代铅基陶瓷材料成为多层陶瓷电容器在技术和经济上兼优的重要候选材料。

Description

一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料及其制备方法

技术领域

本发明属于多层陶瓷电容器介质材料制备领域，具体涉及一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料及其制备方法。

背景技术

随着信息技术和电子科学技术的飞速发展，对电子设备提出更高的使用要求，例如轻型化，片式化以及小型化，多层陶瓷电容器(MLCC)正因这些原因应运而生。目前，我们常用的制备多层陶瓷电容器的介质材料是BaTiO₃基陶瓷。钛酸钡在室温下的介电常数可达到1500～3000，同时在生产和应用过程中不会对环境产生污染，因此很适合用于介电材料。然而，BaTiO₃的居里温度约为120℃，高于居里温度时介电常数急剧下降，介电损耗大，影响到陶瓷电容器的温度稳定性，因此，必须对钛酸钡进行掺杂改性。经过适当的掺杂改性后的钛酸钡基陶瓷材料具有高介电常数，低损耗和热膨胀系数小的特点。

近年来，多层陶瓷电容器已经开始逐步进入汽车电子应用领域，诸如发动机控制单元(ECU)、防抱死制动系统(ABS)、燃油喷射程控模块(PGMFI)等，使用温度可达+150℃，要满足这样的使用环境，需要耐受多次高温运行以及大量热冲击。然而，钛酸钡基材料的电容-温度特性具有一定的局限性，当温度超过120℃时，其容温变化率(△C/C_20℃)超过15％，无法提供稳定的介电性能。具有EIA(ElectronicIndustriesAssociation，美国电子工业协会)X7R特性(-55℃～+125℃，△C/C_20℃≤±15％，其中△C是以20℃时的电容量C_20℃为基准的其他温度点的电容量C变化△C＝C-C_20℃)的MLCC难以满足上述的高温条件下的工作要求。因此，开发研制到EIAY8R标准(-30℃～+155℃，△C/C_20℃≤±15％)MLCC受到了普遍的关注。

虽然，BaTiO₃基无铅Y8R型陶瓷电容器介质材料已经得到广泛关注，但是，将BiYO₃掺杂BaTiO₃得到温度稳定的Y8R型陶瓷电容器介质材料还鲜有报道。鉴于此，实有必要提供一种可以解决上述问题的BaTiO₃基环保Y8R型陶瓷电容器材料及制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料及其制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，通过本发明方法制得的Y8R型陶瓷电容器材料，不但制备工艺简单，材料成本低，而且具有较高的介电常数、低的介电损耗、体电阻率大、良好温度稳定性，有可能成为替代铅基陶瓷材料成为多层陶瓷电容器在技术和经济上兼优的重要候选材料。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料，其制备材料包括BaTiO₃+xmol％BiYO₃，其中x＝12～20，xmol％表示摩尔百分比。

一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照摩尔比1:1称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A，将混合物A进行球磨、烘干、压块后，于1120～1150℃保温2～3小时，形成纯相的BaTiO₃粉体，备用；

步骤二：按照摩尔比1:1称取Bi₂O₃和Y₂O₃混合形成混合物B，将混合物B进行球磨、烘干、压块后，于920～940℃保温2～3小时，形成纯相的BiYO₃粉体，备用；

步骤三：将步骤一得到的BaTiO₃粉体和步骤二得到的BiYO₃粉体按照BaTiO₃+xmol％BiYO₃混合后形成混合物C，其中x＝12～20，x为摩尔百分比，将混合物C与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后依次进行球磨、烘干、造粒、过筛，形成造粒料；

步骤四：将步骤三所得造粒料在110～120MPa的压强下制成试样，然后进行一次烧结；

步骤五：打磨、清洗步骤四中一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，进行二次烧结，得到Y8R型多层陶瓷电容器介质材料。

进一步地，步骤三中，混合物C与锆球石及去离子水混合、球磨、烘干后形成烘干料，将质量浓度为4～6％的粘合剂添加至烘干料中进行造粒，粘合剂占烘干料质量的8～10％，造粒后分别过40目和80目筛取中间料，形成造粒料。

进一步地，所述粘合剂为聚乙烯醇水溶液。

进一步地，步骤三中球磨时间为4～6小时。

进一步地，步骤四中一次烧结条件为：以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1250～1300℃时保温3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温。

进一步地，步骤五中二次烧结的条件为：温度为600～620℃，时间为20～30分钟。

一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照摩尔比1:1称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A，将混合物A进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于1150℃保温2小时，形成纯相的BaTiO₃粉体，备用；

步骤二：按照摩尔比1:1称取Bi₂O₃和Y₂O₃混合形成混合物B，将混合物B进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于940℃保温2小时，形成纯相的BiYO₃粉体，备用；

步骤三：将步骤一得到的BaTiO₃粉体和步骤二得到的BiYO₃粉体按照BaTiO₃+20mol％BiYO₃的摩尔比混合后形成混合物C，将混合物C与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后球磨4h、然后烘干形成烘干料，将质量浓度为6％的聚乙烯醇水溶液添加至烘干料中进行造粒，聚乙烯醇水溶液占烘干料质量的10％，造粒后分别过40目和80目筛取中间料，形成造粒料；

步骤四：将步骤三所得造粒料在120MPa的压强下制成试样，然后，置于以氧化锆为垫板的氧化铝匣钵内在高温箱式炉内进行一次烧结：以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1300℃时保温3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温；

步骤五：打磨、清洗步骤四中一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，于600℃二次烧结20分钟，得到Y8R型多层陶瓷电容器介质材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的Y8R型陶瓷电容器材料，具有较高的介电常数(x＝20时介电常数为802)、低的介电损耗(tanδ≤0.01)、体电阻率大、良好温度稳定性，有可能成为替代铅基陶瓷材料成为多层陶瓷电容器在技术和经济上兼优的重要候选材料。

本发明方法将BiYO₃掺杂到BaTiO₃里面，Bi取代BaTiO₃的A位，Y取代BaTiO₃的B位,通过掺杂实现BaTiO₃的居里峰的宽化，实现弛豫弥散现象，从而达到无铅Y8R型陶瓷电容器的要求。本发明方法采用传统固相法制备，工艺成熟，适合产业化生产，采用BiYO₃进行掺杂，实现电价补偿有利于实现钛酸钡陶瓷的弥散相变，本发明方法制备的无铅Y8R型陶瓷电容器介质材料不但制备工艺简单，材料成本低，而且具有较高的介电常数、低的介电损耗、体电阻率大、温度稳定性好，对替代铅基陶瓷材料成为多层陶瓷电容器在技术和经济上兼优的重要候选材料。

附图说明

图1是实施例3制得的样品的SEM图；

图2是实施例3制得的样品的容温变化率随温度变化的特性曲线；

图3是实施例1和3制得的样品的介电常数和介电损耗随温度变化的特性曲线；

图4是实施例3制得的样品在不同温度下电导率随温度的变化图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照摩尔比1:1称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A，将混合物A进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于1120～1150℃保温2～3小时，形成纯相的BaTiO₃粉体，备用；

步骤二：按照摩尔比1:1称取Bi₂O₃和Y₂O₃混合形成混合物B，将混合物B进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于920～940℃保温2～3小时，形成纯相的BiYO₃粉体，备用；

步骤三：将步骤一得到的BaTiO₃粉体和步骤二得到的BiYO₃粉体按照BaTiO₃+xmol％BiYO₃混合后形成混合物C，即BaTiO₃的摩尔百分比为(100-x)mol％，BiYO₃的摩尔百分比为xmol％，BaTiO₃的摩尔数和BiYO₃的摩尔数之和等于混合物C的摩尔数，其中x＝12～20，xmol％表示摩尔百分比，将混合物C与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后球磨4～6h、然后烘干形成烘干料，将质量浓度为4～6％的聚乙烯醇水溶液添加至烘干料中进行造粒，聚乙烯醇水溶液占烘干料质量的8～10％，造粒后分别过40目和80目筛取中间料，形成造粒料；

步骤四：将步骤三所得造粒料在110～120MPa的压强下制成试样，然后，置于以氧化锆为垫板的氧化铝匣钵内在高温箱式炉内进行一次烧结：以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1250～1300℃时保温3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温；

步骤五：打磨、清洗步骤四中一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，于600～620℃二次烧结20～30分钟，得到Y8R型多层陶瓷电容器介质材料。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

空白实施例

步骤一：按照摩尔比1:1称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A，将混合物A进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中分别于1120～1150℃保温2小时，形成纯相的BaTiO₃粉体，备用；

步骤二：将步骤一得到的BaTiO₃粉体与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后依次进行球磨、烘干、造粒、过筛，形成造粒料；

步骤三：将步骤二所得造粒料在120MPa的压强下制成试样，然后，置于以氧化锆为垫板的氧化铝匣钵内在高温箱式炉内进行一次烧结，以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1250～1300℃时保温3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温；

步骤四：打磨、清洗步骤三中一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，于600℃二次烧结20分钟，得到空白样品。

实施例1

步骤一：按照摩尔比1:1称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A，将混合物A进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于1120℃保温3小时，形成纯相的BaTiO₃粉体，备用；

步骤二：按照摩尔比1:1称取Bi₂O₃和Y₂O₃混合形成混合物B，将混合物B进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于920℃保温3小时，形成纯相的BiYO₃粉体，备用；

步骤三：将步骤一得到的BaTiO₃粉体和步骤二得到的BiYO₃粉体按照BaTiO₃+12mol％BiYO₃的摩尔配比混合后形成混合物C，将混合物C与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后球磨6h、然后烘干形成烘干料，将质量浓度为4％的聚乙烯醇水溶液添加至烘干料中进行造粒，聚乙烯醇水溶液占烘干料质量的8％，造粒后分别过40目和80目筛取中间料，形成造粒料；

步骤四：将步骤三所得造粒料在110MPa的压强下制成试样，然后，置于以氧化锆为垫板的氧化铝匣钵内在高温箱式炉内进行一次烧结：以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1250℃时保温3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温；

步骤五：打磨、清洗步骤四中一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，于620℃二次烧结30分钟，得到Y8R型多层陶瓷电容器介质材料。

实施例2

步骤一：按照摩尔比1:1称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A，将混合物A进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于1130℃保温2.5小时，形成纯相的BaTiO₃粉体，备用；

步骤二：按照摩尔比1:1称取Bi₂O₃和Y₂O₃混合形成混合物B，将混合物B进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于930℃保温2.5小时，形成纯相的BiYO₃粉体，备用；

步骤三：将步骤一得到的BaTiO₃粉体和步骤二得到的BiYO₃粉体按照BaTiO₃+16mol％BiYO₃的摩尔比混合后形成混合物C，将混合物C与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后球磨5h、然后烘干形成烘干料，将质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液添加至烘干料中进行造粒，聚乙烯醇水溶液占烘干料质量的9％，造粒后分别过40目和80目筛取中间料，形成造粒料；

步骤四：将步骤三所得造粒料在115MPa的压强下制成试样，然后，置于以氧化锆为垫板的氧化铝匣钵内在高温箱式炉内进行一次烧结：以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1280℃时保温3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温；

步骤五：打磨、清洗步骤四中一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，于610℃二次烧结25分钟，得到Y8R型多层陶瓷电容器介质材料。

实施例3

步骤一：按照摩尔比1:1称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A，将混合物A进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于1150℃保温2小时，形成纯相的BaTiO₃粉体，备用；

步骤二：按照摩尔比1:1称取Bi₂O₃和Y₂O₃混合形成混合物B，将混合物B进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于940℃保温2小时，形成纯相的BiYO₃粉体，备用；

步骤三：将步骤一得到的BaTiO₃粉体和步骤二得到的BiYO₃粉体按照BaTiO₃+20mol％BiYO₃的摩尔比混合后形成混合物C，将混合物C与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后球磨4h、然后烘干形成烘干料，将质量浓度为6％的聚乙烯醇水溶液添加至烘干料中进行造粒，聚乙烯醇水溶液占烘干料质量的10％，造粒后分别过40目和80目筛取中间料，形成造粒料；

步骤四：将步骤三所得造粒料在120MPa的压强下制成试样，然后，置于以氧化锆为垫板的氧化铝匣钵内在高温箱式炉内进行一次烧结：以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1300℃时保温3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温；

步骤五：打磨、清洗步骤四中一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，于600℃二次烧结20分钟，得到Y8R型多层陶瓷电容器介质材料。

如图4所示，介电性能测试表明：实施例3所制备的陶瓷介质材料均符合EIAY8R标准(-30℃～+155℃，△C/C_20℃≤±15％)，具体的各项参数如表一所示。通过掺杂BiYO₃，并与BaTiO₃形成固溶体，可以有效地提高居里点，使居里峰向高温方向移动，还可以降低烧结温度，如图1所示，实施例3所制备的样品陶瓷比较致密。同时，形成微观成分的起伏，成份起伏理论是基于复合离子随机分布现象提出的。认为不同离子随机占据等同晶位，产生微观浓度与整体宏观浓度相异的微区，组成各异的微区具有略为不同的居里温度，宏观上产生宽化的相变温区，即使微区的平均组份相同，也可能由于晶胞结构不同而形成结构相异的微区，从而产生弥散相变。通过掺杂或者改变晶粒的结构尺寸，可以使铁电陶瓷的居里峰升高，峰值两侧的介电常数上升，即ε-T曲线变得更为宽旷、平坦，这种通过掺杂或改变晶粒结构尺寸来提高陶瓷介电常数的温度稳定性的效应，称为展宽效应。本发明所制备的钛酸钡基无铅Y8R型陶瓷电容器介质材料，不但制备工艺简单，材料成本低，而且具有较高的介电常数、低的介电损耗、体电阻率大、温度稳定性良好，有望替代铅基陶瓷材料成为多层陶瓷电容器在技术和经济上兼优的重要候选材料之一。

Claims (8)

1.一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料，其特征在于，其制备材料包括BaTiO₃+xmol％BiYO₃，其中x＝12～20，xmol％表示摩尔百分比。

2.一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：按照摩尔比1:1称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A，将混合物A进行球磨、烘干、压块后，于1120～1150℃保温2～3小时，形成纯相的BaTiO₃粉体，备用；

步骤二：按照摩尔比1:1称取Bi₂O₃和Y₂O₃混合形成混合物B，将混合物B进行球磨、烘干、压块后，于920～940℃保温2～3小时，形成纯相的BiYO₃粉体，备用；

步骤三：将步骤一得到的BaTiO₃粉体和步骤二得到的BiYO₃粉体按照BaTiO₃+xmol％BiYO₃混合后形成混合物C，其中x＝12～20，x为摩尔百分比，将混合物C与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后依次进行球磨、烘干、造粒、过筛，形成造粒料；

步骤四：将步骤三所得造粒料在110～120MPa的压强下制成试样，然后进行一次烧结；

步骤五：打磨、清洗步骤四中一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，进行二次烧结，得到Y8R型多层陶瓷电容器介质材料。

3.根据权利要求2所述的一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，混合物C与锆球石及去离子水混合、球磨、烘干后形成烘干料，将质量浓度为4～6％的粘合剂添加至烘干料中进行造粒，粘合剂占烘干料质量的8～10％，造粒后分别过40目和80目筛取中间料，形成造粒料。

4.根据权利要求3所述的一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，其特征在于，所述粘合剂为聚乙烯醇水溶液。

5.根据权利要求2所述的一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，其特征在于，步骤三中球磨时间为4～6小时。

6.根据权利要求2所述的一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，其特征在于，步骤四中一次烧结条件为：以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1250～1300℃时保温3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温。

7.根据权利要求2所述的一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，其特征在于，步骤五中二次烧结的条件为：温度为600～620℃，时间为20～30分钟。

8.一种Y8R型多层陶瓷电容器介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：按照摩尔比1:1称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A，将混合物A进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于1150℃保温2小时，形成纯相的BaTiO₃粉体，备用；

步骤二：按照摩尔比1:1称取Bi₂O₃和Y₂O₃混合形成混合物B，将混合物B进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于940℃保温2小时，形成纯相的BiYO₃粉体，备用；

步骤三：将步骤一得到的BaTiO₃粉体和步骤二得到的BiYO₃粉体按照BaTiO₃+20mol％BiYO₃的摩尔比混合后形成混合物C，将混合物C与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后球磨4h、然后烘干形成烘干料，将质量浓度为6％的聚乙烯醇水溶液添加至烘干料中进行造粒，聚乙烯醇水溶液占烘干料质量的10％，造粒后分别过40目和80目筛取中间料，形成造粒料；

步骤四：将步骤三所得造粒料在120MPa的压强下制成试样，然后，置于以氧化锆为垫板的氧化铝匣钵内在高温箱式炉内进行一次烧结：以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1300℃时保温3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温；

步骤五：打磨、清洗步骤四中一次烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，于600℃二次烧结20分钟，得到Y8R型多层陶瓷电容器介质材料。