CN105347801B - 一种纳米陶瓷材料组合物和标准电容器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米陶瓷材料组合物及其制备方法，该组合物含有以下组分：纳米陶瓷材料、纳米物质添加剂、玻璃熔块助烧剂；其中，所述纳米物质添加剂为Sm₂O₃、CeO₂、Nd₂O₃、BiO₂、SiO₂、MnCO₃和MnO₂中的至少一种。本发明又提供一种标准电容器及其制备方法，该电容器的介质为所述的纳米陶瓷材料组合物。以本发明的纳米陶瓷材料组合物用作介质的标准电容器准确度高，损耗因数小；容量范围宽；稳定性好、可靠性高。

Description

一种纳米陶瓷材料组合物和标准电容器及其制备方法

技术领域

本发明涉及精密电磁测量技术领域，更具体地，涉及一种纳米陶瓷材料组合物和标准电容器以及它们的制备方法。

背景技术

现在市场上使用的标准电容器主要有：石英标准电容器、空气标准电容器、云母标准电容器等。

石英标准电容器具有稳定性高、热膨胀系数小等优点；但是石英的介电常数较小，由其制造的标准器容量一般小于100pF，因此，石英电容器无法满足宽容量范围的使用要求。空气或氮气作为介质的标准电容器，具有损耗因数小、稳定性好等优点；但其有效电极面积和电极间的距离都是靠金属件联结和支掌，机械结构较复杂，并且空气或氮气的介电常数较小，容量范围比较窄，一般为1pF～1000pF。云母作为介质材料的标准电容器，具有优良的机械性能及电气性能，损耗因数在10^-4量级，容量范围10nF～1μF；但天然云母由于其杂质含量较高，在电极被镀银后进行烧结时，工艺上不好控制，其准确度级别较低。

目前我国在阻抗精密测量和电容量值传递中，许多科研院所及检测机构采购国内外生产的标准电容器，均存在着准确度级别低、损耗因数大、容量范围窄等问题，不能满足我国对高准确度、高质量标准电容器的需求。因此，提高现有标准器的准确度级别及质量是非常需要的。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种纳米陶瓷材料组合物，该组合物包括以下组分：纳米陶瓷材料、纳米物质添加剂、玻璃熔块助烧剂；其中，所述纳米物质添加剂为Sm₂O₃、CeO₂、Nd₂O₃、BiO₂、SiO₂、MnCO₃和MnO₂中的至少一种。

本发明还提供一种纳米陶瓷材料组合物制备方法，该方法主要包括以下步骤：

(1)纳米化：将陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^-9m；

(2)细晶化：在已纳米化的陶瓷材料中添加纳米物质添加剂；

(3)烧瓷化：向细晶化后的陶瓷材料中加入玻璃熔块助烧剂，并在1300-1400℃烧结成瓷，烧结时间为2-4小时。

本发明又提供一种标准电容器及其制备方法，该电容器的介质为所述的纳米陶瓷材料组合物。制备方法包括纳米陶瓷材料组合物的制备、流延成膜、切片、印刷内电极、叠片、热压、切块、排粘烧结。

本发明通过在纳米陶瓷材料中添加纳米物质添加剂及玻璃熔块助烧剂，使得合成的纳米陶瓷材料组合物用作介质的标准电容器具有如下优点：

(1)准确度高，损耗因数小。

(2)容量范围宽，实现了从1pF到1μF容量扩展。

(3)稳定性好、可靠性高。由于介质与电极结合成一体，并经过多层薄片叠合烧结成整体，因而机械强度高，结构可靠；同时因电极埋在介质的内部，故防潮性好，介电强度高。

附图说明

图1为根据本发明一种具体实施方式制备标准电容器的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种纳米陶瓷材料组合物，该组合物包括以下组分：纳米陶瓷材料、纳米物质添加剂、玻璃熔块助烧剂；其中，所述纳米物质添加剂为Sm₂O₃、CeO₂、Nd₂O₃、BiO₂、SiO₂、MnCO₃和MnO₂中的至少一种。

优选地，以各组分的总重量计，所述纳米陶瓷材料的含量为大于等于97wt％。

优选地，所述纳米陶瓷材料的粒径小于等于10^-9m。

以各组分的总重量计，所述纳米物质添加剂的含量优选为0.5～1.8wt％。在已纳米化的陶瓷材料中进行纳米物质添加，形成深度掺杂，更能发挥出其细晶作用，实现瓷体的细晶化。

优选地，以各组分的总重量计，所述玻璃熔块助烧剂的含量为0.2～1.2wt％。玻璃熔块助烧剂能加速晶界扩散的速率，有效排除瓷体中的气体，这是减少气孔的有效途径，提高了瓷体的稳定性。同时还可以通过控制加入量来调节瓷粉的介电常数、温度系数和损耗因数等参数。

本发明中所述的玻璃熔块助烧剂的概念为本领域技术人员公知。常规的各种玻璃熔块助烧剂均可用于本发明。这些玻璃熔块助烧剂可通过商购获得，也可以根据需要配制，将各种氧化物组分混合共烧结获得，只要能起到助烧的作用即可。

优选地，所述玻璃熔块助烧剂为B₂O₃-ZnO-Nd₂O₃-Bi₂O₃-SiO₂-Li₂O、B₂O₃-ZnO-Bi₂O₃-Nd₂O₃和B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃-Na₂O中的至少一种。

优选地，本发明所述纳米陶瓷材料组合物的介电常数为50～70；所述组合物的介质损耗优于10^-5量级；所述组合物的温度系数为±(5ppm～15ppm)/℃；所述组合物的绝缘电阻大于等于10¹²Ω；所述组合物的抗电强度大于等于8kV/μm。

本发明还提供一种纳米陶瓷材料组合物的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)纳米化：将陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^-9m；

(2)细晶化：在已纳米化的陶瓷材料中添加纳米物质添加剂；所述添加的方式例如为研磨添加；

(3)烧瓷化：向细晶化后的陶瓷材料中加入玻璃熔块助烧剂，并在1300-1400℃烧结成瓷，烧结时间为2-4小时。

本发明又提供一种标准电容器及其制备方法，该电容器的介质为所述的纳米陶瓷材料组合物。所述制备方法包括以下步骤：纳米陶瓷材料组合物的制备、流延成膜、切片、印刷内电极、叠片、热压、切块、排粘烧结。具体如图1所示。

其中，所述流延成膜是指在纳米陶瓷材料组合物粉末中添加粘结剂制成均匀稳定的料浆，在流延机上制成一定厚度的膜；所述印刷内电极是在纳米陶瓷材料组合物上涂金属电极；所述叠片即一层陶瓷介质一层浆料，以多层交替堆叠的方式叠合起来；所述热压是指层与层之间结合不够致密，通过将其压紧，形成一体；所述排粘是指将切割后的生坯装入专用的钵内，放入烘箱内，用300℃左右的温度来进行排粘，去除生坯内的粘接剂；所述烧结是指将排粘后的产品放入高温烧结炉内，高温1300-1400℃烧结成瓷，烧结时间为2-4小时，使生坯烧结成瓷体。

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例1

纳米陶瓷材料组合物的制备：将97g陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^{- 9}m；在已纳米化的陶瓷材料中添加1.8gSiO₂；再向细晶化后的陶瓷材料中加入1.2gB₂O₃-ZnO-Nd₂O₃-Bi₂O₃-SiO₂-Li₂O，并在1300℃烧结成瓷，烧结时间为3小时。

实施例2

纳米陶瓷材料组合物的制备：将98.5g陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^-9m；在已纳米化的陶瓷材料中添加1.0g CeO₂；向细晶化后的陶瓷材料中加入0.5g B₂O₃-ZnO-Bi₂O₃-Nd₂O₃，并在1350℃烧结成瓷，烧结时间为4小时。

实施例3

纳米陶瓷材料组合物的制备：将98g陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^{- 9}m；在已纳米化的陶瓷材料中添加0.8g MnCO₃；向细晶化后的陶瓷材料中加入1.2g B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃-Na₂O，并在1400℃烧结成瓷，烧结时间为3小时。

实施例4

纳米陶瓷材料组合物的制备：将97g陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^{- 9}m；在已纳米化的陶瓷材料中添加1.8gSm₂O₃；再向细晶化后的陶瓷材料中加入1.2gB₂O₃-ZnO-Nd₂O₃-Bi₂O₃-SiO₂-Li₂O，并在1300℃烧结成瓷，烧结时间为3小时。

实施例5

纳米陶瓷材料组合物的制备：将97g陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^{- 9}m；在已纳米化的陶瓷材料中添加1.8gNd₂O₃；再向细晶化后的陶瓷材料中加入1.2gB₂O₃-ZnO-Nd₂O₃-Bi₂O₃-SiO₂-Li₂O，并在1300℃烧结成瓷，烧结时间为3小时。

实施例6

纳米陶瓷材料组合物的制备：将97g陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^{- 9}m；在已纳米化的陶瓷材料中添加1.8gBiO₂；再向细晶化后的陶瓷材料中加入1.2gB₂O₃-ZnO-Nd₂O₃-Bi₂O₃-SiO₂-Li₂O，并在1300℃烧结成瓷，烧结时间为3小时。

实施例7

纳米陶瓷材料组合物的制备：将97g陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^{- 9}m；在已纳米化的陶瓷材料中添加1.8g MnO₂；再向细晶化后的陶瓷材料中加入1.2gB₂O₃-ZnO-Nd₂O₃-Bi₂O₃-SiO₂-Li₂O，并在1300℃烧结成瓷，烧结时间为3小时。

实施例8

标准电容器的制备：向实施例1制备的纳米陶瓷材料组合物粉末中添加粘结剂制成均匀稳定的料浆，在流延机上制成一定厚度的膜；然后切片；通过叠片将一层陶瓷介质一层浆料，以多层交替堆叠的方式叠合起来；再进行热压，切块；装入专用的钵内，放入烘箱内，在300℃的温度下进行排粘，去除生坯内的粘接剂；最后烧结是在高温烧结炉内，1380℃高温烧结3小时，使生坯烧结成瓷体。

测试例1

为了进一步提高纳米陶瓷标准电容器的准确度和稳定性，可将实施例8制得的标准电容器装入一个全密封的金属容器中，在密封前要先抽真空，再充入惰性气体，再装入一个恒温槽中，消除环境温度变化对其容量的影响，测试其主要指标。

选用可溯源到我国电容基准的标准电容器和高精密电容电桥进行测量。测量数据及不确定度等指标如表1所示。

表1

从表1中的数据可知，采用新型纳米陶瓷研制的标准电容器，准确度级别、容量范围、稳定性和损耗因数等指标均很优异。

根据实施例8的方法，将实施例2-7制得的纳米陶瓷材料组合物制成标准电容器，并进行如上测定，各项指标与表1数据相当。

对比例1

将本发明所述的纳米陶瓷材料组合物与普通的陶瓷材料相比较，技术指标如下表2所示。

表2

根据实施例8的方法，将实施例2-7制得的纳米陶瓷材料组合物制成标准电容器，并进行如上测定，各项指标与表2中本发明的数据相当。

表2显示本发明的纳米陶瓷材料组合物制备的电容器的介电常数、介质损耗、温度系数、绝缘电阻和抗电强度均优于普通陶瓷材料。

对比例2

将本发明所述纳米陶瓷材料组合物制备的电容器与现有各种标准电容器的技术指标进行比较，如表3所示。

表3

由表3数据可知，采用本发明的标准电容器，容量范围及误差范围等指标综合性能均优于现有技术中其他材料的标准电容器。

根据实施例8的方法，将实施例2-7制得的纳米陶瓷材料组合物制成标准电容器，并进行如上测定，各项指标与表3中纳米陶瓷的数据相当。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (7)

1.一种纳米陶瓷材料组合物，其特征在于，该组合物含有以下组分：纳米陶瓷材料、纳米物质添加剂、玻璃熔块助烧剂；其中，所述纳米物质添加剂为Sm₂O₃、CeO₂、Nd₂O₃、BiO₂、SiO₂、MnCO₃和MnO₂中的至少一种；所述玻璃熔块助烧剂为B₂O₃-ZnO-Nd₂O₃-Bi₂O₃-SiO₂-Li₂O、B₂O₃-ZnO-Bi₂O₃-Nd₂O₃和B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃-Na₂O中的至少一种；所述纳米陶瓷材料的粒径小于等于10^-9m；

所述组合物的介电常数为50～70；所述组合物的介质损耗优于10^-5量级；所述组合物的温度系数为±(5ppm～15ppm)/℃；所述组合物的绝缘电阻大于等于10¹²Ω；所述组合物的抗电强度大于等于8kV/μm。

2.根据权利要求1所述的纳米陶瓷材料组合物，其中，以各组分的总重量计，所述纳米陶瓷材料的含量为大于等于97wt％。

3.根据权利要求1所述的纳米陶瓷材料组合物，其中，以各组分的总重量计，所述纳米物质添加剂的含量为0.5～1.8wt％。

4.根据权利要求1所述的纳米陶瓷材料组合物，其中，以各组分的总重量计，所述玻璃熔块助烧剂的含量为0.2～1.2wt％。

5.一种权利要求1-4中任意一项所述的纳米陶瓷材料组合物的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)纳米化：将陶瓷材料磨细到纳米量级；粒径小于等于10^-9m；

(2)细晶化：在已纳米化的陶瓷材料中添加纳米物质添加剂；

(3)烧瓷化：向细晶化后的陶瓷材料中加入玻璃熔块助烧剂，并在1300-1400℃烧结成瓷，烧结时间为2-4小时。

6.一种标准电容器，其特征在于，该电容器的介质为权利要求1-4中任意一项所述的纳米陶瓷材料组合物。

7.一种标准电容器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：权利要求1-4中任意一项所述的纳米陶瓷材料组合物的制备、流延成膜、切片、印刷内电极、叠片、热压、切块、排粘烧结。