CN108178628A - 一种制备低损耗巨介电常数介质陶瓷材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备低损耗巨介电常数介质陶瓷材料的方法，先将SrTiO3、Nb2O5、SiO2、In2O3、CaZrO3和玻璃粉，按质量百分比97.518％、0.7404％、0.2502％，0.07021％、0.8009％、0.6202％进行配料，经球磨、烘干、过筛，再添加7wt％石蜡进行造粒，压制成型为坯体；坯体排胶后于1300～1350℃还原气氛烧结，制成低损耗巨介电常数陶瓷电容器介质材料。本发明具有较低介电损耗(tanσ～0.03)和巨介电常数(ε25℃～1.55×105)。

Description

一种制备低损耗巨介电常数介质陶瓷材料的方法
技术领域
本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种SrTiO3基巨介电常数的介质陶瓷材料的制备方法。
背景技术
随着无线通讯技术的高速发展，在对电子元器件的微型化、高储能、低损耗设备的迫切需求背景下，研发出具备优良性能巨介电常数材料(ε＞104)，可使电子科技中众多领域实现突破性进展，例如有利于MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitors)器件的薄层化和小型化以及制备出超大容量MLCC；制备出单层高储能电容器，即单层可满足传统MLCC 容量需求，节约电极成本。
电介质在电场中受电场作用发生极化，介质的极化能力越强，其介电常数越大，实现大容量的同时所需材料的体积越小，实际生产应用中得以极大地缩减器件尺寸，实现集成电路的小型化和微型化。除此之外，介电损耗、介电常数频率与温度特性等指标也是衡量材料体系的重要指标参数，与元器件的低损耗、环境稳定性密切相关，其指标参数的优异性是得以实现生产应用于电子元器件行业的关键。
目前，正在研究的高介电常数材料大部分基于晶界阻挡层效应internal barrierlayer capacitor(IBLC)，这些材料巨介电常数通常由于空间电荷所贡献，但伴随慢极化造成的高损耗的问题。故常通过掺杂、添加晶界滞留物等方式调节晶粒晶界彼此间的异质界面，以使空间电荷以最优化的方式聚集。
还原气氛(N2/H2)烧结，造成烧结制品内部部分晶格氧同还原气体结合，以氧空位形式出现，电子随着产生以使电荷达到平衡，根据晶界特性，氧空位以及一些缺陷聚集于晶界处，电子于晶粒内部引起半导化效应，彼此具有不同介电常数不同电导率会造成晶粒晶界界面处形成大量的空间电荷聚集，形成界面极化从而引起巨介电常数。通过改变N2/H2通气时间、通气含量、烧结温度等以获得性能最优的SrTiO3基晶界层巨介电常数介质陶瓷材料。
发明内容
本发明的目的，在于使用一种新型SrTiO3基巨介电常数体系配方，优化还原气氛烧结工艺，实现介电常数大于105的突破，并兼具低损耗(＜0.1)特性，使其能够有望成为制备大容量电容器材料。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种制备低损耗巨介电常数介质陶瓷材料的方法，具有如下步骤：
(1)将SrTiO3、Nb2O5、SiO2、In2O3、CaZrO3和玻璃粉，按质量百分比97.518％、0.7404％、 0.2502％，0.07021％、0.8009％、0.6202％进行配料，混合球磨4小时后于100℃烘干，并过40目分样筛；
(2)造粒：将步骤(1)粉料，添加7wt％石蜡作为粘结剂，过80目筛进行造粒，再用粉末压片机压制成坯体；
(3)排胶：将步骤(2)的坯体进行排胶操作；
(4)烧结：将排胶后的坯体置于还原气氛炉，通入N2或N2/H2混合气体，进行还原气氛烧结，烧结温度为1300～1350℃，保温3～3.5h，制成低损耗巨介电常数介质陶瓷材料。
所述步骤(1)的玻璃粉的原料组成及其质量百分比含量为：Bi2O3:TiO2:ZnO:H3BO3＝27.28％:23.15％:31.92％:17.65％。
所述步骤(2)的坯体为Ф10×1.5～2.1mm的圆片坯体。
所述步骤(3)的坯体经5小时升温至600℃排胶，升温速率为2℃/min，并保温5h。
所述步骤(4)的坯体在排胶结束后再经5℃/min升温速率至1000℃烧结，再以2℃/min 升温速率至1300～1350℃。
本发明的有益效果如下：
(1)原料使用施主元素Nb5+以促进介电常数大幅度提升，并以受主元素In3+和添加晶界滞留物等控制电子迁移过程以降低损耗。
(2)本发明公开的巨介电常数SrTiO3基介质陶瓷材料具有较低介电损耗(tanζ～0.03) 和巨介电常数(ε25℃～1.55×105)。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，本发明不局限于具体实施例。
实施例1
首先，用电子天平称量SrTiO3、Nb2O5、SiO2、In2O3、CaZrO3和实验室配置玻璃粉，按质量比97.518％、0.7404％、0.2502％，0.07021％、0.8009％、0.6202％进行配料，共20g。原料与去离子水与球石的混合比例为1:1:1，球磨4h，于100℃烘干，并过40目分样筛；
烘干后的原料外加质量百分比为7％的石蜡，过80目分样筛造粒。
将造粒后的粉料在3MPa下压制成Ф15×1.2mm的圆片坯体，经3.5h空气中升温至600℃排胶。在流速为64ml/min N2和4ml/min H2混合气流中，再经2℃/min升至1350℃烧结，保温3.5h，制得巨介电常数陶瓷电容器介质材料。
在所得制品上下表面均匀涂覆银浆，经850℃烧渗制备电极，制得待测样品，测试介电性能。
实施例2～6
实施例2～6与实施例1具有不同烧结温度和烧结时不同通气含量以及不同的保温时间，其它工艺条件与实施例1完全相同，本发明的主要工艺参数及其介电性能详见表1。
本发明的测试方法和检测设备如下：
介电性能测试(交流测试信号：频率为20Hz～1MHz，电压为1V)
使用TH2828S 1MHz同辉精密LCR数字电桥测试样品的电容量C和损耗tanδ，并计算出样品的介电常数，计算公式为：
表1
本发明并不局限于上述实施例，很多细节的变化是可能的，但这并不因此违背本发明的范围和精神。

Claims (5)

1.一种制备低损耗巨介电常数介质陶瓷材料的方法，具有如下步骤：
(1)将SrTiO3、Nb2O5、SiO2、In2O3、CaZrO3和玻璃粉，按质量百分比97.518％、0.7404％、0.2502％，0.07021％、0.8009％、0.6202％进行配料，混合球磨4小时后于100℃烘干，并过40目分样筛；
(2)造粒：将步骤(1)粉料，添加7wt％石蜡作为粘结剂，过80目筛进行造粒，再用粉末压片机压制成坯体；
(3)排胶：将步骤(2)的坯体进行排胶操作；
(4)烧结：将排胶后的坯体置于还原气氛炉，通入N2或N2/H2混合气体，进行还原气氛烧结，烧结温度为1300～1350℃，保温3～3.5h，制成低损耗巨介电常数材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备低损耗巨介电常数介质陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)的玻璃粉的原料组成及其质量百分比含量为：Bi2O3:TiO2:ZnO:H3BO3＝27.28％:23.15％:31.92％:17.65％。
3.根据权利要求1所述的一种制备低损耗巨介电常数介质陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)的坯体为Ф10×1.5～2.1mm的圆片坯体。
4.根据权利要求1所述的一种制备低损耗巨介电常数介质陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)的坯体经5小时升温至600℃排胶，升温速率为2℃/min，并保温5h。
5.根据权利要求1所述的一种制备低损耗巨介电常数介质陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤(4)的坯体在排胶结束后再经5℃/min升温速率至1000℃烧结，再以2℃/min升温速率至1300～1350℃。
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