CN1587197A - 钛酸锶基储能介质陶瓷及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛酸锶基储能介质陶瓷及制备方法。该陶瓷化学式为Sr(ZrxTi1－x)O3，x＝0.01－0.10，并掺杂有纯度大于85％的MnO2。其制备方法为：以纯度大于99％的SrCO3、ZrO2和TiO2为起始原料，分别按SrTiO3、SrZrO3化学比配料，在去离子水中研磨后烘干，预先在1150℃保温4小时合成SrTiO3粉料，在1250℃保温6小时合成SrZrO3粉料，然后按Sr(ZrxTi1－x)O3化学比配料，式中x＝0.01－0.10，并加入纯度大于85％的MnO2粉末，在去离子水中湿磨混合，在空气气氛下烘干，加入聚乙烯醇水溶液造粒，压制成型，于高温炉空气气氛中烧结，制成介质陶瓷。获得的介质陶瓷具有高介电常数、低损耗、较高击穿强度。本发明可用于各种高压储能介质的制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛酸锶基储能介质陶瓷及制备方法，具体是一种以SrZrO3固溶掺杂的SrTiO3基储能介质陶瓷及制备方法
背景技术
脉冲形成技术是高压脉冲功率研究中的重要课题，脉冲形成线是加速器性能的关键因素之一，常用的脉冲压缩形成结构有同轴结构和平板结构。为适应固态脉冲形成线的发展，储能介质正向低阻强流、小型化的方向发展。应用于固态脉冲形成线的储能介质陶瓷，应满足如下介电及耐压特性的要求：(1)高的相对介电常数εr；(2)低的介电损耗tgη，一般要求在使用频率下tgη≤1×10-3；(3)高的击穿强度Eb。目前，储能介质陶瓷的研究体系有TiO2和BaTiO3。TiO2陶瓷具有高的击穿强度，其Eb≥35kv/mm，但TiO2陶瓷介电常数不高，εr≈110；BaTiO3陶瓷具有高的介电常数，其εr≥1000，但BaTiO3陶瓷击穿强度偏低，Eb＝5-8kv/mm，介电损耗偏大，且存在电致伸缩现象。这些缺点限制了它们的应用。SrTiO3陶瓷介电常数相对较高，εr≈250，高频损耗小，电致伸缩小，但低频介电损耗偏大，且击穿强度Eb相对TiO2陶瓷仍有待提高，必须进行改善以满足储能介质陶瓷介电及耐压特性的要求。SrZrO3陶瓷具有体系稳定，击穿强度高，漏电密度小等特点，且能与SrTiO3陶瓷形成完全固熔体。目前，尚未见到以SrZrO3及MnO2掺杂改善SrTiO3陶瓷介电及耐压性能的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高介电常数、低损耗、较高击穿强度的储能介质陶瓷，同时提供一种该介质陶瓷的制备方法。
本发明的目的是以下述技术方案实现的：
一种钛酸锶基储能介质陶瓷，其化学式为Sr(ZrxTi1-x)O3，其中x＝0.01-0.10。并掺杂有纯度大于85％的MnO2，MnO2掺杂量占混合粉料总量的0.1-1.0wt％。
该储能介质陶瓷的制备步骤为：
第1、以纯度大于99％的SrCO3、ZrO2和TiO2为起始原料，分别按SrTiO3、SrZrO3化学比配料，在去离子水中研磨后烘干，预先在1150℃保温4小时合成SrTiO3粉料，在1250℃保温6小时合成SrZrO3粉料；
第2、取步骤1所得到的SrTiO3和SrZrO3粉料，按Sr(ZrxTi1-x)O3化学比配料，其中x＝0.01-0.10，并加入纯度大于85％的MnO2，在去离子水中湿磨混合，空气气氛下烘干；
第3、外加聚乙烯醇水溶液造粒，压制成型，于高温炉空气气氛中烧结，制成化学式为Sr(ZrxTi1-x)O3，x＝0.01-0.10的介质陶瓷；
其中所述的加入的MnO2量占混合粉料总量的0.1-1.0wt％；所述的聚乙烯醇水溶液浓度为0.5-2.0wt％，加入量为粉料总量的5-10wt％；所述的压制成型的压力为80-200Mpa；烧结温度为1350-1450℃；所述的烧结时间为2-6小时。
在Sr(ZrxTi1-x)O3(x＝0.01-0.10)储能介质陶瓷的制备中，我们的试验结果是：当SrZrO3固溶掺杂量超过10mol％时，介质陶瓷的相对介电常数将小于250；当MnO2掺杂量超过1.0wt％时，烧结过程中有MnO2析出，且介质陶瓷的介电损耗将显著增加；若加入的聚乙烯醇(PVA)水溶液质量浓度小于0.5％，样品难以干压成型；若加入的PVA水溶液质量浓度大于2.0％，介质陶瓷表面容易产生黑心，使其耐压性能恶化；当烧结温度低于1350℃时，介质陶瓷致密度会显著下降，而当烧结温度高于1450℃时，则样品会出现熔融过烧的现象，使其介电及耐压性能恶化；若保温时间低于2小时，样品介质损耗会上升，若保温时间超过6小时，其耐压性能会下降。
本发明通过控制SrZrO3的固溶掺杂量，并加入MnO2进一步改善性能，克服了SrTiO3陶瓷低频损耗偏大，击穿强度不高的缺点，获得了一种具有高介电常数、低损耗、较高击穿强度的储能介质陶瓷。
附图说明
图1为直径20mm厚度5mm的钛酸锶基储能介质陶瓷样品照片。
图2为直径45mm厚度8mm的钛酸锶基储能介质陶瓷样品照片。
图3为直径20mm厚度3mm的钛酸锶基储能介质陶瓷镀银电极后的照片，银电极直径为16mm。
图4为直径45mm厚度4mm的钛酸锶基储能介质陶瓷镀银电极后的照片，银电极直径为40mm。
具体实施方式
本发明实施例采用固相反应法制备Sr(ZrxTi1-x)O3介质陶瓷。
具体实施如下：以纯度大于99％的SrCO3、ZrO2和TiO2为起始原料，分别按SrTiO3、SrZrO3化学比配料，在去离子水中研磨12小时后烘干，预先在1150℃保温4小时合成SrTiO3粉料，在1250℃保温6小时合成SrZrO3粉料，然后按Sr(ZrxTi1-x)O3化学比配料，其中x＝0.01-0.10，并加入纯度大于85％的MnO2，在去离子水中湿磨24小时。烘干后的物料加入浓度为0.5-2.0wt％的聚乙烯醇水溶液造粒、其加入量为粉料总量5-10wt％，然后用80-200Mpa的压力压制成型，于1350-1450℃烧结2-6小时。制得介质陶瓷。该制备方法可用作各种高压储能介质的制造。
SrTiO和SrZrO3粉体合成条件列入表1，制备Sr(ZrxTi1-x)O3的配方和条件列入表2，产品于室温环境下0.5MHz-50MHz频率范围内的介电性能及直流耐压性能检测结果列入表3。
表1
SrTiO3粉体合成温度：1150℃，4小时。
SrZrO3粉体合成温度：1250℃，6小时。
表2
| 1 | 1350℃ | 98.7g | 1.2g | 0.1g | 0.5 | 2 |
| 2 | 1350℃ | 98.6g | 1.2g | 0.2g | 0.5 | 2 |
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成型压力：80-200Mpa
表3
Claims (2)
1、一种钛酸锶基储能介质陶瓷，其特征在于：其化学式为Sr(ZrxTi1-x)O3，其中x＝0.01-0.10，并掺杂有纯度大于85％的MnO2，MnO2掺杂量占该陶瓷总量的0.1-1.0wt％。
2、一种制备权利要求1所述的储能介质陶瓷的方法，其特征在于制备步骤为：
第1、以纯度大于99％的SrCO3、ZrO2和TiO2为起始原料，分别按SrTiO3、SrZrO3化学比配料，在去离子水中研磨后烘干，预先在1150℃保温4小时合成SrTiO3粉料，在1250℃保温6小时合成SrZrO3粉料；
第2、取步骤1所得到的SrTiO3和SrZrO3粉料，按Sr(ZrxTi1-x)O3化学比配料，x＝0.01-0.10，并加入纯度大于85％的MnO2，在去离子水中湿磨混合，空气气氛下烘干；
第3、外加聚乙烯醇水溶液造粒，压制成型，于高温炉空气气氛中烧结，制成化学式为Sr(ZrxTi1-x)O3，x＝0.01-0.10的介质陶瓷；
其中加入的MnO2量占混合粉料总量的0.1-1.0wt％；所述的聚乙烯醇水溶液浓度为0.5-2.0wt％，加入量为粉料总量的5-10wt％；所述的压制成型的压力为80-200Mpa；所述的烧结温度为1350-1450℃；所述的烧结时间为2-6小时。
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