CN107216145A - 一种陶瓷电容器的电介质及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷电容器的电介质及其制备工艺，属于电容器制造领域，该种电介质包括以下按重量百分比计的原料：BaTiO3 40‑60份、SrTiO3 10‑20份、BaZrO3 10‑20份、CaTiO3 8‑12份、MgNb2O5 8‑12份、CeO2 2‑4份、ZnO 2‑4份、Co2O3 2‑4份、BaSiO3 1‑3份、Gd2O3 1‑3份。制备工艺是先将原料粉碎并混合均匀，之后通过烘干加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料，最后将其压制成生坯片和烧结，即可。本发明的陶瓷电容器电介质电常数高，耐电压高，并且在使用过程中对环境无污染，本发明所要解决的另一技术问题是提供上述陶瓷电容器的电介质的一种制备方法，这种制备方法成本较低，并且在制备过程中对环境无污染。

Description

一种陶瓷电容器的电介质及其制备工艺
技术领域
本发明属于电容器制造领域，具体涉及一种陶瓷电容器的电介质及其制备工艺。
背景技术
彩电、计算机、通迅、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，要求陶瓷电容器的电介质具有高介电常数；为了实现陶瓷电容器的击穿电压高，要求陶瓷电容器的电介质耐电压高；同时，随着人们对身体健康及环境保护的日益重视，要求陶瓷电容器的电介质在制备、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的电介质不含铅、镉等金属元素。
目前，通常用于生产高压陶瓷电容器的电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。例如，中国期刊《江苏陶瓷》1999年第2期在“BaTiO3系低温烧成高介X7R电容器瓷料”一文中公开了一种BaTiO3中低温烧成高介满足X7R特性的电容器瓷料介质，该介质所含的低熔点玻璃料是硼硅酸铅低熔点玻璃，介质是含铅的，并且未涉及耐电压，介电常数小于3500。又如，中国发明专利申请公开说明书CN1212443A(发明名称为“高介高性能中温烧结片式多层瓷介电容器瓷料”，专利申请号为97117286.2)，所公开的陶瓷电容器瓷料虽然介电常数高(介电常数≥16000)，但耐电压较差(耐电压为700V/mm)，另外其组分含有一定量的铅。还有，中国发明专利申请公开说明书CN1212444A(发明名称为“高性能中温烧结片式多层瓷介电容器瓷料”，专利申请号为97117287.0)，所公开的电容器瓷料介电常数太小(介电常数为3000)，介质损耗小于1.5％，且耐电压较低(耐电压为860V/mm)，另外其组分含有一定量的铅。
有些陶瓷电容器的电介质虽然不含铅，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，但是其介电常数太小，且/或耐电压较低。例如，中国期刊《电子元件与材料》1989年第5期在“高介高压2B4介质陶瓷”一文中公开了一种高压陶瓷电容器介质材料，这种介质材料的介电常数太小(介电常数ε＝2500-2600)，tgδ＝0.5-1.4％，耐压性较差(直流耐压强度为7KV/mm)。又如，中国发明专利申请公开说明书CN1306288A(发明名称为“一种高压陶瓷电容器介质”，专利申请号为00112050.6)公开的电容器陶瓷介质虽属无铅介质材料，其直流耐电压可以达到10kV/mm以上，但介电常数太小(介电常数为1860-3300)，烧结温度较高(烧结温度为1260-1400℃)。还有，中国发明专利申请公开说明书CN1619726A(发明名称为“一种中低温烧结高压陶瓷电容器介质”，专利申请号为200410041863.x)，其各组分的重量百分比含量为：BaTiO360-90％、SrTiO31-20％、CaZrO30.1-10％、Nb2O50.01-1％、MgO0.01-1％、CeO20.01-0.8％、ZnO0.01-0.6％、Co2O30.03-1％、铋锂固溶体0.05-10％，其介电常数为2000-3000，耐电压为6kV/mm以上，介电常数和耐电压性仍不够理想。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种陶瓷电容器的电介质及其制备工艺，该种陶瓷电容器电介质电常数高，耐电压高，并且在使用过程中对环境无污染，本发明所要解决的另一技术问题是提供上述陶瓷电容器的电介质的一种制备方法，这种制备方法成本较低，并且在制备过程中对环境无污染。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种陶瓷电容器的电介质，该陶瓷电容器的电介质耐高压高温，直流耐电压可达20kV/mm以上，交流耐压可达15kV/mm以上；介电常数为20000以上；介质损耗小于0.3％；电容温度变化率小，符合Y5U特性的要求，所述电介质包括以下按重量百分比计的原料：BaTiO340-60份、SrTiO310-20份、BaZrO310-20份、CaTiO38-12份、MgNb2O58-12份、CeO22-4份、ZnO 2-4份、Co2O32-4份、BaSiO31-3份、Gd2O31-3份。
进一步地，所述电介质包括以下按重量份计的原料：BaTiO350份、SrTiO315份、BaZrO315份、CaTiO310份、MgNb2O510份、CeO23份、ZnO 3份、Co2O33份、BaSiO32份、Gd2O32份。
进一步地，所述BaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1100-1220℃保温100-130分钟，固相反应合成BaTiO3，冷却后研磨过150-250目筛，备用。
进一步地，所述SrTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料SrCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1120-1200℃保温100-140分钟，固相反应合成SrTiO3，冷却后研磨过150-250目筛，备用。
进一步地，所述BaZrO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaO和ZrO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1140-1260℃保温80-120分钟，固相反应合成BaZrO3，冷却后研磨过150-250目筛，备用。
进一步地，所述CaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料CaO和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1160-1260℃保温100-120分钟，固相反应合成CaTiO3，冷却后研磨过150-250目筛，备用。
所述的一种陶瓷电容器的电介质制备工艺，按照以下步骤进行：
步骤1：按所述重量份称取原料；
步骤2：将上述全部原料粉碎过80-120目筛，并混合均匀，得到混合料；
步骤3：对上述混合料进行烘干，之后加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料；
步骤4：将得到颗粒状物料压制成生坯片，置于温度为1220-1280℃的环境下，保温2-3小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到陶瓷电容器的电介质。
优选地，所述粘合剂采用重量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液,该聚乙烯醇水溶液的重量为经上述步骤2烘干的混合料的重量的8-10％。
本发明具有如下有益效果：
(1)不含铅和镉，在使用过程中对环境无污染；
(2)介电常数高(介电常数达20000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；
(3)耐电压高，直流耐电压可达20kV/mm以上，交流耐电压可达15kV/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1％)，因而陶瓷电容器在使用过程中性能稳定性好，安全性高。
(4)本发明的陶瓷电容器的电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1220-1280℃)，大大降低高压陶瓷电容器的成本；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的电介质，在制备过程中对环境无污染。总而言之，本发明的陶瓷电容器的电介质介电常数高，耐电压高，在制备和使用过程中对环境无污染，并且能降低陶瓷电容器的成本，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
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种陶瓷电容器的电介质，该电介质包括以下原料：BaTiO340kg、SrTiO310kg、BaZrO310kg、CaTiO38kg、MgNb2O58kg、CeO22kg、ZnO 2kg、Co2O32kg、BaSiO31kg、Gd2O31kg。
其中，所述BaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1100℃保温100分钟，固相反应合成BaTiO3，冷却后研磨过150目筛，备用。
所述SrTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料SrCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1120℃保温100分钟，固相反应合成SrTiO3，冷却后研磨过150目筛，备用。
所述BaZrO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaO和ZrO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1140℃保温80分钟，固相反应合成BaZrO3，冷却后研磨过150目筛，备用。
所述CaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料CaO和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1160℃保温100分钟，固相反应合成CaTiO3，冷却后研磨过150目筛，备用。
上述的一种陶瓷电容器的电介质制备工艺，按照以下步骤进行：
步骤1：按所述重量份称取原料；
步骤2：将上述全部原料粉碎过80目筛，并混合均匀，得到混合料；
步骤3：对上述混合料进行烘干，之后加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料；
步骤4：将得到颗粒状物料压制成生坯片，置于温度为1220℃的环境下，保温2小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到陶瓷电容器的电介质。
上述粘合剂采用重量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液,该聚乙烯醇水溶液的重量为经上述步骤2烘干的混合料的重量的8％。
实施例2
一种陶瓷电容器的电介质，该陶瓷电容器的电介质包括以下原料：BaTiO350kg、SrTiO315kg、BaZrO315kg、CaTiO310kg、MgNb2O510kg、CeO23kg、ZnO 3kg、Co2O33kg、BaSiO32kg、Gd2O32kg。
其中，所述BaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1160℃保温125分钟，固相反应合成BaTiO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
所述SrTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料SrCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1160℃保温120分钟，固相反应合成SrTiO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
所述BaZrO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaO和ZrO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1200℃保温100分钟，固相反应合成BaZrO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
所述CaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料CaO和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1210℃保温110分钟，固相反应合成CaTiO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
所述的一种陶瓷电容器的电介质制备工艺，按照以下步骤进行：
步骤1：按所述重量份称取原料；
步骤2：将上述全部原料粉碎过100目筛，并混合均匀，得到混合料；
步骤3：对上述混合料进行烘干，之后加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料；
步骤4：将得到颗粒状物料压制成生坯片，置于温度为1250℃的环境下，保温2.5小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到陶瓷电容器的电介质。
上述粘合剂采用重量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液,该聚乙烯醇水溶液的重量为经上述步骤2烘干的混合料的重量的9％。
实施例3
一种陶瓷电容器的电介质，该陶瓷电容器的电介质包括以下原料：BaTiO360kg、SrTiO320kg、BaZrO320kg、CaTiO312kg、MgNb2O512kg、CeO24kg、ZnO 4kg、Co2O34kg、BaSiO33kg、Gd2O33kg。
其中，所述BaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1220℃保温130分钟，固相反应合成BaTiO3，冷却后研磨过250目筛，备用。
所述SrTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料SrCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1200℃保温140分钟，固相反应合成SrTiO3，冷却后研磨过250目筛，备用。
所述BaZrO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaO和ZrO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1260℃保温120分钟，固相反应合成BaZrO3，冷却后研磨过250目筛，备用。
所述CaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料CaO和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1260℃保温120分钟，固相反应合成CaTiO3，冷却后研磨过250目筛，备用。
所述的一种陶瓷电容器的电介质制备工艺，按照以下步骤进行：
步骤1：按所述重量份称取原料；
步骤2：将上述全部原料粉碎过120目筛，并混合均匀，得到混合料；
步骤3：对上述混合料进行烘干，之后加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料；
步骤4：将得到颗粒状物料压制成生坯片，置于温度为1280℃的环境下，保温3小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到陶瓷电容器的电介质。
上述粘合剂采用重量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液,该聚乙烯醇水溶液的重量为经上述步骤2烘干的混合料的重量的10％。性能检测
上述实施例1-3制得的陶瓷电容器的电介质的性能参数如表1所示。
表1
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施
例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种陶瓷电容器的电介质，该陶瓷电容器的电介质耐高压高温，直流耐电压可达20kV/mm以上，交流耐压可达15kV/mm以上；介电常数为20000以上；介质损耗小于0.3%；电容温度变化率小，符合Y5U特性的要求，其特征在于，所述电介质包括以下按重量百分比计的原料：BaTiO3 40-60份、SrTiO3 10-20份、BaZrO3 10-20份、CaTiO3 8-12份、MgNb2O5 8-12份、CeO2 2-4份、ZnO 2-4份、Co2O3 2-4份、BaSiO3 1-3份、Gd2O3 1-3份。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容器的电介质，其特征在于，所述电介质包括以下按重量份计的原料：BaTiO3 50份、SrTiO3 15份、BaZrO3 15份、CaTiO3 10份、MgNb2O5 10份、CeO2 3份、ZnO 3份、Co2O3 3份、BaSiO3 2份、Gd2O3 2份。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容器的电介质，其特征在于，所述BaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1100-1220℃保温100-130分钟，固相反应合成BaTiO3，冷却后研磨过150-250目筛，备用。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容器的电介质，其特征在于，所述SrTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料SrCO3和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1120-1200℃保温100-140分钟，固相反应合成SrTiO3，冷却后研磨过150-250目筛，备用。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容器的电介质，其特征在于，所述BaZrO3 是采用如下工艺制备：将常规的化学原料BaO和ZrO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1140-1260℃保温80-120分钟，固相反应合成BaZrO3 ，冷却后研磨过150-250目筛，备用。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容器的电介质，其特征在于，所述CaTiO3是采用如下工艺制备：将常规的化学原料CaO和TiO2按1:1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于1160-1260℃保温100-120分钟，固相反应合成CaTiO3 ，冷却后研磨过150-250目筛，备用。
7.一种根据权利要求1-6任一一项所述的陶瓷电容器的电介质制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按所述重量份称取原料；
步骤2：将上述全部原料粉碎过80-120目筛，并混合均匀，得到混合料；
步骤3：对上述混合料进行烘干，之后加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料；
步骤4：将得到颗粒状物料压制成生坯片，置于温度为1220-1280℃的环境下，保温2-3小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到陶瓷电容器的电介质。
8.根据权利要求7所述的一种陶瓷电容器的电介质制备工艺，其特征在于，所述粘合剂采用重量百分比浓度为10％的聚乙烯醇水溶液,该聚乙烯醇水溶液的重量为经上述步骤2烘干的混合料的重量的8-10％。
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