DE1464462B1 - METHOD OF MANUFACTURING ELECTRIC CAPACITORS - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kondensatoren, bei dem Glasstreifen mit Metallfolien abwechselnd zu einem Stapel aufgebaut und von einem aus Glas bestehenden Hüllkörper umgeben werden und dieses Gebilde an-, schließend unter Druck zu einem hermetisch abgeschlossenen Körper verschmolzen wird.The invention relates to a method for producing electrical Capacitors, in which glass strips with metal foils alternate in a stack be built up and surrounded by an envelope made of glass and this Structures then fused under pressure to form a hermetically sealed body will.
Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren bekannt, bei dem vorgeformte Teile für die dielektrische Umhüllung und für die dielektrische Zwischenschicht(en) mit den elektrisch leitenden Schichten zusammengelegt und die Teile der Umhüllung unter Anwendung von Hitze und Druck miteinander und mit den Anschlußdrähten verschmolzen werden (USA: Patentschrift 2 696 577). Erfindungsgemäß soll nun ein Kondensator unter Verwendung von Gläsern entwickelt werden, die sich durch Wärmebehandlung in einen Glaskristallmischkörper umwandeln lassen und hierbei in wirtschaftlichster Arbeitsweise zu einem Kondensator mit den erstrebten Eigenschaften, wie sie an sich nur keramische Zwischenschichten liefern würden, zu gelangen.A method for the production of capacitors is already known, in which preformed parts for the dielectric cladding and for the dielectric Intermediate layer (s) put together with the electrically conductive layers and the Parts of the envelope with the application of heat and pressure with one another and with the Connecting wires are fused (USA: Patent 2,696,577). According to the invention a capacitor is now to be developed using glasses that are can be converted into a glass crystal mixed body by heat treatment and here in the most economical way of working to a capacitor with the desired properties, as they would only provide ceramic interlayers per se.
Die Erfindung soll nicht darauf beschränkt sein, durch Verwendung eines besonderen Glases zu einem Kondensator besonders kleiner Abmessungen zu gelangen, dessen Schichten zwischen den Metallschichten unter entsprechender Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten und Durchschlagfestigkeit die dazu erforderlichen geringen Dickenabmessungen aufweisen, sondern auch darüber informieren, wie man vorzugehen hat, um auf dem schnellsten und wirtschaftlichsten Wege zu dem gewünschten Ergebnis zu gelangen.The invention is not intended to be limited by use a special glass to get a condenser of particularly small dimensions, its layers between the metal layers with a corresponding increase in the Dielectric constants and dielectric strength the low required for this Have thickness dimensions, but also provide information on how to proceed has to get the desired result in the fastest and most economical way to get.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung
von elektrischen Kondensatoren, bei dem Glasstreifen mit Metallfolien abwechselnd
zu einem Stapel aufgebaut und von einem aus Glas bestehenden Hüllkörper umgeben
werden, und dieses Gebilde anschließend unter Druck zu einem hermetisch abgeschlossenen
Körper verschmolzen wird, dadurch, daß für die Glasstreifen und den Hüllkörper eine
Zusammensetzung aus auf Oxydbasis, einer Gesamtmenge von 30 bis 90 Molprozent der
Bestandteile wenigstens einer ferroelektrischen Sauerstoff-Octaeder-Verbindung aus
der Gruppe des
Ein Glaskörper, der gute dielektrische Eigenschaften aufweist, ist zwar bekanntgeworden (französische Patentschrift 1 177 799), bei dem eine Mischung aus ferroelektrischen Oktaederverbindungen und glasbildenden Oxyden miteinander verschmolzen werden, worauf dieses Material in die gewünschte Form gebracht wird. Der fertige geformte noch heiße Körper wird auf eine Temperatur abgekühlt, die zwischen der Spitzentemperatur der Kristallisation und der Anlaßtemperaturen liegt, bis sich im Glas eine genügende Anzahl Kristallkeime gebildet hat und danach wieder auf eine Temperatur erwärmt, bei der die sich bildenden Kristalle sich noch nicht wieder lösen. Diese Temperatur wird hierbei so lange gehalten, bis die Viskosität des Materials bei dieser Temperatur infolge der fortschreitenden Kristallbildung praktisch unendlich wird.A glass body that has good dielectric properties is became known (French patent specification 1,177,799), in which a mixture of ferroelectric octahedral compounds and glass-forming oxides with one another are fused, whereupon this material is brought into the desired shape. The finished molded body is cooled to a temperature that is between the peak temperature of crystallization and tempering temperatures is until has formed a sufficient number of crystal nuclei in the glass and then back to one Heated temperature at which the forming crystals have not yet re-formed to solve. This temperature is kept until the viscosity of the material at this temperature practically infinite due to the progressive crystal formation will.
Als Beispiel für diese bekannte Lehre werden Gläser genannt, die eine Bleititanatkristallphase während der Wärmebehandlung entwickeln. Solche nur bei hoher Temperatur ferroelektrischen Materialien sind aber für die Zwecke der Erfindung unbrauchbar, da Bleititanat nur bei erhöhten Temperaturen im Bereich von 400 bis 500°C ferroelektrische Eigenschaften und keinerlei nützliche ferroelektrische Eigenschaft im Bereich zwischen Zimmertemperatur und Arbeitstemperaturen bis etwa 200°C aufweist. Ferner sind Mischungen aus Ba0, TiO2, S'02 und A1203 angegeben, deren Gehalt an BaT'03 kleiner ist als 30 Molprozent. Die bekannten Gläser sind für die Zwecke nach der Erfindung ungeeignet.As an example of this well-known doctrine, glasses are named, the one Develop lead titanate crystal phase during heat treatment. Such only at However, high temperature ferroelectric materials are for the purposes of the invention unusable, since lead titanate is only used at elevated temperatures in the range from 400 to 500 ° C ferroelectric properties and no useful ferroelectric property in the range between room temperature and working temperatures up to about 200 ° C. Mixtures of Ba0, TiO2, S'02 and A1203 are also given, the content of which is BaT'03 is less than 30 mole percent. The well-known glasses are for the purpose according to unsuitable for the invention.
Weitere Vorteile der Erfindung einschließlich eines Verfahrens zur Herstellung dieses Kondensators sowie neuartiger Zusammensetzungen zur Herstellung dieses Kondensators durch das genannte Verfahren sollen im folgenden an Hand der Zeichnungen noch näher erläutert werden.Further advantages of the invention including a method for Manufacture of this capacitor as well as novel compositions for manufacture this capacitor by the process mentioned are to be used in the following with reference to the Drawings are explained in more detail.
Die Zeichnungen zeigen in F i g. 1 eine graphische Darstellung zur Wiedergabe des Verhältnisses der Temperatur in °C und der Dielektrizitätskonstanten K von Kondensatordielektr'-ken gemäß der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung des Einflusses von Fluor in Zusammensetzung aus BaTi03, S'02 und A1203, F i g. 2 eine der F i g. 1 ähnliche graphische Darstellung zur Wiedergabe der Wirkung eines zusätzlichen stabilen Oxydes in den Zusammensetzungen; dabei bedeutet der Ausdruck »stabiles Oxyd« ein Oxyd eines Metalls oder eines Metalloids, welches in die geschmolzene Glaszusammensetzung für den Kondensator gemäß der Erfindung eingebaut werden kann und ohne wesentliche Verluste durch Zersetzung und/oder Verflüchtigung in dieser Glaszusammensetzung verbleibt, F i g. 3 eine Kurve einer Differentialthermoanalyse einer Glaszusammensetzung, die im wesentlichen aus Ba0, T'02, SiO2 und A1203 besteht, wobei die angenäherten Temperaturen des Anlaßpunktes des Glases, die Bildung der ferroelektrischen Kristallphase im Glas und das Schmelzen dieser Phase beim fortschreitenden Anstieg der Temperaturen des Glases wiedergegeben sind, F i g. 4 eine Differentialthermoanalysekurve nach F i g. 3 für eine im wesentlichen aus Ba0, T'02 und CaO bestehende Glaszusammensetzung zur Wiedergabe der angenäherten Temperaturen des Anlaßpunktes, der Kristallphasenbildung und des Schmelzen des Glases, F i g. 5 eine Differentialthermoanalysekurve einer im wesentlichen aus Nb205, Na20, CdO und S'02 bestehenden Glaszusammensetzung unter Wiedergabe der angenäherten Temperaturen des Anlaßpunktes, der Kristallphasenbildung und des Schmelzen des Glases, F i g. 6 einige Kurven zur Wiedergabe der Beziehung zwischen Dielektrizitätskonstante und Temperatur einiger halbkristalliner Körper, F i g. 7 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kondensator.The drawings show in FIG. 1 is a graphical representation for Reproduction of the relationship between the temperature in ° C and the dielectric constant Illustrative K of capacitor dielectrics according to the present invention the influence of fluorine in the composition of BaTi03, S'02 and A1203, FIG. 2 one of the F i g. 1 similar graph to show the effect of a additional stable oxide in the compositions; where the expression means "Stable oxide" is an oxide of a metal or a metalloid which is absorbed into the molten Glass composition for the capacitor according to the invention can be incorporated and without substantial losses through decomposition and / or volatilization in this Glass composition remains, FIG. 3 is a curve of a differential thermal analysis a glass composition consisting essentially of Ba0, T'02, SiO2 and A1203, being the approximate temperatures of the tempering point of the glass, the formation of the ferroelectric crystal phase in the glass and the melting of this phase as it progresses Increase in the temperatures of the glass are shown, F i g. 4 is a differential thermal analysis curve according to FIG. 3 for one consisting essentially of Ba0, T'02 and CaO existing Glass composition to reproduce the approximate temperatures of the tempering point, crystal phase formation and melting of the glass, FIG. 5 is a differential thermal analysis curve a glass composition consisting essentially of Nb205, Na20, CdO and S'02 showing the approximate temperatures of the tempering point, the crystal phase formation and melting the glass, FIG. 6 some curves to show the relationship between dielectric constant and temperature of some semi-crystalline bodies, F i g. 7 shows a section through a capacitor according to the invention.
Es hat sich herausgestellt, daß man einen, wenigstens eine ferroelektrische kristalline Phase enthaltenden keramischen Körper mit hoher Dielektrizitätskonstante, die im folgenden in üblicher Weise mit K bezeichnet werden soll, niedrigem Verlustfaktor (L. T.) und hoher überschlagsspannung sowie höherem Isolationswiderstand als bei bekannten Produkten zusammen mit anderen wünschenswerten physikalischen und elektrischen Eigenschaften erhält, wenn man einen Glaskörper gewünschter Größe und Form mit Oxydbestandteilen, die sich zu einer oder mehreren solchen ferroelektrischen kristallinen Phasen vereinigen, durch Wärmebehandlung einer gesteuerten Kristallisation unterzieht.It has been found that a ceramic body containing at least one ferroelectric crystalline phase with a high dielectric constant, which is to be referred to below in the usual way with K, a low loss factor (LT) and a high flashover voltage and a higher insulation resistance than in known products together with Other desirable physical and electrical properties are obtained when a glass body of the desired size and shape with oxide constituents which combine to form one or more such ferroelectric crystalline phases is subjected to controlled crystallization by heat treatment.
Die neuen Produkte besitzen, da sie aus komogenen, aus flüssigen Schmelzen hergestellten Gläsern entstanden sind, eine Porosität, die praktisch = Null ist, eine optimale Homogenität und eine gleichmäßige Verteilung der kristallinen Phase oder Phasen in sehr kleiner Teilchengröße, so daß ihr spezifischer Widerstand bei Temperaturen bis zu 400°C Werte von 10'1 Ohm cm erreicht und ihre Dielektrizitätskonstanten und Uberschlagsspannungen unerwartet höher als diejenige der Körper sind, welche aus den gleichen oder im wesentlichen gleichen Oxydzusammensetzungen bestehen, jedoch nach den bekannten Verfahren gebunden und gesintert sind. Die Temperatur bei der Wärmebehandlung dieser Produkte hat eine außerordentlich große Wirkung auf den Wert von K des derart hergestellten Kondensators und. gibt ein bequemes und praktisches Mittel zu seiner Steuerung.The new products have, because they are made from comogenic, from liquid melts produced glasses have a porosity that is practically zero, an optimal homogeneity and an even distribution of the crystalline phase or phases in very small particle size, so that their specific resistance at Temperatures up to 400 ° C reached values of 10'1 ohm cm and their dielectric constants and flashover voltages are unexpectedly higher than those of the bodies which consist of the same or substantially the same oxide compositions, however are bound and sintered by the known methods. The temperature at the Heat treating these products has an extraordinarily large effect on value of K of the capacitor manufactured in this way and. gives a comfortable and practical Means of its control.
Darüber hinaus sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ausgangsglases und des daraus abgeleiteten halbkristallinen Produkts wenigstens in einigen Fällen einander so ähnlich, daß in verhältnismäßig dünnen Körpern, beispielsweise Scheiben oder Schichten, keine Bruchkräfte entstehen, so daß man diese dünnen Körper örtlich erhitzen und kristallisieren kann, um derart in verschiedenen Teilen Bereiche abweichender K-Werte zu erzielen.In addition, the thermal expansion coefficients of the starting glass and the semi-crystalline product derived therefrom, at least in some cases so similar to each other that in relatively thin bodies, for example discs or layers, no breaking forces arise, so that these thin bodies can be seen locally can heat and crystallize to such different areas in different parts Achieve K values.
In diesen Fällen kann jede Volumenänderung des halbkristallinen Teiles während seiner Kristallisation infolge der vergleichsweise niedrigen Viskosität des umgebenden Glases auftreten, die für diese Gläser oberhalb ihres Erweichungspunktes charakteristisch ist und eine Wiedereinstellung des Volumens erlaubt.In these cases, any change in volume of the semicrystalline part during its crystallization due to the comparatively low viscosity of the surrounding glass occur, which for these glasses are above their softening point is characteristic and allows a readjustment of the volume.
In der Regel erweichen die bei der Erfindung verwendeten Gläser ohne Kristallisation bei etwa 10 bis 50°C oder mehr unterhalb der Temperatur, bei der die Kristallisation beginnt. Dies erlaubt ein Verschmelzen des einen Glasstückes mit dem anderen vor ihrer Kristallisation.As a rule, the glasses used in the invention soften without Crystallization at about 10 to 50 ° C or more below the temperature at which crystallization begins. This allows the one piece of glass to be fused with the other before their crystallization.
Es hat sich herausgestellt, daß die ferroelektrischen Verbindungen vor anderen Phasen bei Temperaturen . im Gesamtbereich von etwa 700 bis 1100°C sich zu formen und zu kristallisieren beginnen und daß wegen der niedrigen Formungstemperaturen weniger fehlerhafte Kristalle mit Sauerstoffmangel beim erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden als bei dem bekannten Sinterverfahren, was für die dielektrischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Produktes einen weiteren Vorteil bedeutet. Ferner ist eine weitere Veränderungsmöglichkeit der Zusammensetzungen möglich, und man kann aus Silber oder Kupfer bestehende Elektroden auf die Glaskörper aufbringen und zusammen mit dem Körper in dem endgültigen halbkristallinen Zustand brennen, da in diesem Temperaturbereich diese Metallelektroden nicht nachteilig beeinflußt werden. Ferroelektrische Verbindungen lassen sich im allgemeinen in vier Klassen unterteilen, von denen die Sauerstoff-Oktaeder-Familie, die durch eine oktaedrische Anordnung der Sauerstoffionen in dem Kristallgitter gekennzeichnet ist, die hier genannten keramischen Ferroelektrika enthält (Proceedings of I. R. E., Bd. 43, S. 1738 bis 1793, besonders S. 1740).It has been found that the ferroelectric compounds before other phases at temperatures. in the total range of about 700 to 1100 ° C begin to shape and crystallize and that because of the low molding temperatures fewer defective crystals with a lack of oxygen in the method according to the invention are produced than in the known sintering process, what for the dielectric Properties of the product according to the invention means a further advantage. Further Another possibility of changing the compositions is possible, and you can apply electrodes made of silver or copper to the glass body and burn together with the body in the final semi-crystalline state, since in this temperature range these metal electrodes are not adversely affected will. Ferroelectric compounds can generally be divided into four classes subdivide those of the oxygen octahedron family, followed by an octahedral Arrangement of the oxygen ions in the crystal lattice is characterized here ceramic ferroelectrics mentioned (Proceedings of I. R. E., Vol. 43, p. 1738 to 1793, especially p. 1740).
Die ferroelektrischen Sauerstoff-Oktaeder-Verbindungen, die kristallographisch als Perovskit der wichtigsten Gruppe, »Pyrochlor« usw. bezeichnet werden, -sowie Mischungen davon eignen sich insbesondere für die Zwecke der vorliegenden Erfindung.The ferroelectric oxygen octahedron compounds, crystallographically as perovskite of the most important group, "pyrochlore", etc., as well as Mixtures thereof are particularly suitable for the purposes of the present invention.
Ferroelektrische Perovskitverbindungen haben die allgemeine Oxydformel AB03, wobei A und B Ionen mit großem bzw. kleinem Radius sind und der Gesamtwert ihrer Valenzen 6 beträgt und einzeln sich entweder auf die entsprechenden Werte 3 und 3, wie beispielsweise in LaGa03, oder auf 2 und 4, wie beispielsweise in BaT'03, oder auf 1 und 5, wie in NaNb03, berechnet. Im allgemeinen können die A-Ionen aus der 1., 1t. und 11I. Gruppe des Periodischen Systems und die B-Ionen aus der 1I. bis V. Gruppe ausgewählt werden. Andere ferroelektrische Sauerstoff-Oktaeder-Verbindungen sind beispielsweise CdNb206 und W03. Mischkristallbildung ist unter Ferroelektrika weit verbreitet, und ein struktureller Uberschuß oder Mangel an Sauerstoff bezüglich der Oktaederform läßt sich durch geeignete Wahl der Bestandteile der festen Lösungen kompensieren.Ferroelectric perovskite compounds have the general oxide formula AB03, where A and B are large and small radius ions, respectively, and the total their valences is 6 and individually either refer to the corresponding values 3 and 3, as for example in LaGa03, or on 2 and 4, as for example in BaT'03, or on 1 and 5 as calculated in NaNb03. In general, the A ions can be made from the 1st, 1st and 11I. Group of the periodic table and the B ions from the 1I. to V. group can be selected. Other ferroelectric oxygen octahedral compounds are for example CdNb206 and W03. Solid solution formation is among ferroelectrics widespread, and a structural excess or lack of oxygen related the octahedral shape can be determined by a suitable choice of the constituents of the solid solutions compensate.
Obwohl die Erfindung allgemein auf die Herstellung von Kondensatoren anwendbar ist, welche ferroelektrische Verbindungen der Sauerstoff-Oktaeder-Familien und Mischungen davon enthalten, besitzen Körper mit perovskitartigen ferroelektrischen Verbindungen, insbesondere BaT'03, besonders vorteilhafte Eigenschaften, und die Erfindung soll im folgenden aus Gründen der kürzeren Darstellung, jedoch nicht zum Zwecke der Begrenzung und Beschränkung im Hinblick auf solche bevorzugten Kondensatoren, ihre Zusammensetzungen und die Verfahren zu ihrer Herstellung näher beschrieben werden. Infolgedessen bezieht sich die folgende Auseinandersetzung hauptsächlich auf ferroelektrische keramische Kondensatoren, in denen die ferroelektrische kristalline Phase BaT'03 ist. Die Erfindung umfaßt in ihrem weiten Umfang jedoch auch Kondensatoren, bei denen die kristalline Phase oder die kristallinen Phasen eine oder mehrere andere ferroelektrische Verbindungen der Sauerstoff-Oktaeder-Familien oder feste Lösungen oder Gemische davon enthalten, wie man aus den später noch zu erörternden Zusammensetzungen erkennt. Für die Herstellung einer Gruppe ferroelektrischer keramischer Kondensatoren aus BaTi03 baut man in die Zusammensetzung vorzugsweise Si02 und A1203 ein, um die Glasbildung zu begünstigen. Die Zugabe geringer Mengen von Fluor verbessert die dielektrischen Eigenschaften des halbkristallinen Produktes und die Schmelzeigenschaften des Glases. Es hat sich herausgestellt, daß.der breiteste Bereich solcher Zusammensetzung auf Oxydbasis in kation. Molprozent 30 bis 45% Ba0, 15 bis 40% Ti02, 7 bis 26% Si02, 3 bis 30% AIO1,5, wobei sich der Anteil an AIOl,s vom Anteil an Si02 um nicht mehr als etwa vier Drittel der Menge an Si02 unterscheidet, und 0,5 bis 1,5% Fluor besteht, wobei die Gesamtmenge an Ba0, TiO2, SiO2, A101,5 und Fluor wenigstens 90% beträgt. Vorzugsweise sollte der Anteil an BaO 0 bis 100% im überschuß über das 1:1 stöchiometrische Äquivalent von BaTi03, basierend auf der Menge des vorhandenen Ti02, betragen, wobei der Uberschuß bei geringer werdendem Anteil an T'02 vorzugsweise höher ist.Although the invention applies generally to the manufacture of capacitors is applicable which ferroelectric compounds of the oxygen octahedron families and mixtures thereof have bodies with perovskite-like ferroelectric Compounds, especially BaT'03, particularly advantageous properties, and the Invention is intended in the following for the sake of brevity, but not for Purposes of limitation and limitation with respect to such preferred capacitors, their compositions and the processes for their preparation are described in more detail will. As a result, the following dispute is primarily related on ferroelectric ceramic capacitors, in which the ferroelectric crystalline Phase BaT'03 is. However, the invention in its broad scope also includes capacitors, in which the crystalline phase or phases are one or more others ferroelectric compounds of the oxygen octahedron families or solid solutions or mixtures thereof, as can be seen from the compositions to be discussed later recognizes. For making a group of ferroelectric ceramics BaTi03 capacitors are built into the composition preferably Si02 and A1203 to promote glass formation. The addition of small amounts of fluorine improves the dielectric properties of the semi-crystalline product and the melt properties of the glass. It has been found to be the broadest range of such compositions based on oxide in cation. Mole percent 30 to 45% Ba0, 15 to 40% Ti02, 7 to 26% Si02, 3 to 30% AlO1.5, whereby the proportion of AlOl, s no longer differs from the proportion of Si02 differs than about four thirds of the amount of Si02, and consists of 0.5 to 1.5% fluorine, the total amount of Ba0, TiO2, SiO2, A101.5 and fluorine being at least 90%. The proportion of BaO should preferably be 0 to 100% in excess of the 1: 1 stoichiometric Equivalent of BaTi03 based on the amount of Ti02 present, where the excess is preferably higher as the proportion of T'02 decreases.
Kation. Molprozentsätze werden in den angegebenen Zusammensetzungen verwendet, um Ungenauigkeiten zu vermeiden, die sich aus der Berechnung auf der angenommenen Oxydbasis der Molprozentsätze der Zusammensetzungen mit einem Oxyd ergeben, das zwei oder mehrere eines gegebenen Kations enthält. Gemäß diesem Verfahren zur Bestimmung der entsprechenden Anteile bringt jede gegebene Oxydformel zum Ausdruck, daß sie ein Metallatom als das Kation enthält. Wenn einzelne Elemente in einer der Zusammensetzungen in Fluoridform vorliegen, wird der kation. Molprozentsatz des Elementes noch auf Oxydbasis angegeben. Die Oxydkomponenten solcher Zusammensetzungen ergeben insgesamt 100 kation. Molprozent Fluor, berechnet als F2, wird extra angegeben und kommt in kation. Molprozent der Gesamtmenge zum Ausdruck. Da der Anteil an Fluor sehr klein ist, ist der sich daraus ergebende Fehler vernachlässigbar.Cation. Mole percentages are used in the specified compositions in order to avoid inaccuracies resulting from calculating, on the assumed oxide basis, the mole percentages of compositions with an oxide containing two or more of a given cation. According to this method of determining the appropriate proportions, any given oxide formula expresses that it contains a metal atom as the cation. When individual elements in one of the compositions are in fluoride form, the cation. Mole percentage of the element still given on an oxide basis. The oxide components of such compositions make a total of 100 cations. Mol percent fluorine, calculated as F2, is specified separately and comes in cation. Mole percent of the total amount expressed. Since the fluorine content is very small, the error resulting therefrom is negligible.
Ein enger Bereich von in den oben angegebenen Bereich fallenden Zusammensetzungen, bei denen die Anwesenheit von Fluor fakultativ ist, enthält auf Oxydbasis in kation. Molprozent 30 bis 40% Ba0, 15 bis 40% T'02, wobei die Menge an BaO 0 bis 100% im überschuß des 1:1 stöchiometrischen Aquivalentes von BaT'03, basierend auf der Menge des vorhandenen T'02, vorliegt und der überschuß um so höher wird, je niedriger die Menge an T'02 ist, 0,5 bis 26% S'02 und 7 bis 25% AIO"5, wobei die Menge an A101,5 um nicht mehr als etwa vier Drittel von der Menge an S'02 abweicht, und die Gesamtmenge an Ba0, T'02, S'02 und A101,5 wenigstens 90% beträgt.A narrow range of compositions falling within the range given above, where the presence of fluorine is optional contains oxide based in cation. Mol percent 30 to 40% Ba0, 15 to 40% T'02, the amount of BaO being 0 to 100% in the excess of the 1: 1 stoichiometric equivalent of BaT'03 based on the amount of the T'02 present, and the lower the excess, the higher it is the amount of T'02 is 0.5 to 26% S'02 and 7 to 25% AIO "5, the amount of A101.5 does not differ by more than about four thirds from the amount of S'02, and the The total amount of Ba0, T'02, S'02 and A101.5 is at least 90%.
Bei der Verwendung einer der oben angegebenen Zusammensetzungen geht man so vor, daß man sie schmilzt, sie rasch zur Bildung eines Glases abkühlt und dann das Glas durch Erwärmen auf vorzugsweise zwischen 850 und 1150°C, für eine Zeit von wenigstens einer Stunde bei 850°C oder wenigstens 1/2 Minute bei 1150°C in der Wärme behandelt, um das Glas 2:u kristallisieren. Während eine minimale Wärmezeit wesentlich ist, sind längere Erwärmungszeiten nicht nachteilig, jedoch aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht. Die sich durch diese Wärmebehandlung ergebende ferroelektrische kristalline Phase ist BaT'03, dessen vorteilhaften dielektrischen Vorteile bekannt sind. Die oben angegebenen Bereiche der Bestandteile Ba0, Ti02, S'02, A1203 und F sind aus folgenden Gründen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kritisch. Da die gewünschten dielektrischen Eigenschaften der Kondensatoren in erster Linie von ihren Anteilen an kristallinem BaTi03 abhängen, führt ein wesentliches Abweichen von den oben angegebenen minimalen und maximalen Grenzprozentsätzen an BaO und Ti02 zu einer unerwünschten Verminderung des Anteils an kristallisiertem BaTi03 und damit der Dielektrizitätskonstanten. Für optimale Ergebnisse ist ein Uberschuß an BaO bis zu 100% des 1: 1 stöchiometrischen Äquivalents der vorhandenen Menge an T'02 wünschenswert, wobei dieser Uberschuß offenbar die Bildung anderer Titanverbindungen, wie diejenige von Titansilicaten des Bariums mit einem entsprechenden Verlust an den vorteilhaften Eigenschaften des BaTi03 verhindert. Dieser überschuß muß um so höher sein, je geringer die Menge an Ti02 ist, um die Bildung von BaTi03 zu begünstigen und die Bildung anderer unerwünschter Kristallphasen zu behindern.When using one of the compositions given above goes one pretends to melt them, cool them quickly to form a glass, and then the glass by heating it to preferably between 850 and 1150 ° C, for a Time of at least one hour at 850 ° C or at least 1/2 minute at 1150 ° C treated in heat to crystallize the glass 2: u. During a minimal warm time is essential, longer heating times are not disadvantageous, but for economic reasons Reasons undesirable. The ferroelectric resulting from this heat treatment The crystalline phase is BaT'03, whose advantageous dielectric advantages are known are. The ranges given above for the components Ba0, Ti02, S'02, A1203 and F are critical for the purposes of the present invention for the following reasons. As the desired dielectric properties of the capacitors in the first place depend on their proportions of crystalline BaTi03, leads to a substantial deviation of the minimum and maximum limit percentages of BaO and Ti02 given above to an undesirable reduction in the proportion of crystallized BaTi03 and thus the dielectric constant. An excess of BaO is required for optimal results up to 100% of the 1: 1 stoichiometric equivalent of the amount of T'02 present desirable, this excess apparently causing the formation of other titanium compounds, like that of titanium silicates of barium with a corresponding loss the advantageous properties of the BaTi03 prevented. This excess must be so be higher, the lower the amount of Ti02 is, in order to favor the formation of BaTi03 and hinder the formation of other undesirable crystal phases.
Ein Uberschuß von S'02 oder ein Mangel an AIO"s oberhalb bzw. unterhalb der angegebenen Grenzen steigert weiterhin die Neigung in Richtung der unerwünschten Bildung von Silikaten und der daraus resultierenden Absenkung des Wertes von K, jedoch verursacht eine zu kleine Menge an S'02 oder ein zu großer Anteil an A10,,5 eine spontane Entglasung der geschmolzenen Zusammensetzung ohne Rücksicht auf die Geschwindigkeit der-Abkühlung. Um ein zufriedenstellendes Glas herzustellen, sollte also die Menge an A101.5 von der Menge an S'02 nicht mehr als vier Drittel der vorhandenen Menge an S'02 abweichen.An excess of S'02 or a lack of AIO's above or below the specified limits further increases the tendency in the direction of the undesirable Formation of silicates and the resulting lowering of the value of K, however, too little S'02 or too much A10 causes,, 5 spontaneous devitrification of the molten composition regardless of the Speed of cooling. In order to make a satisfactory glass, should so the amount of A101.5 of the amount of S'02 does not exceed four thirds of the amount available Amount of S'02 may differ.
Obwohl die Anwesenheit von Fluor fakultativ ist, wenn die Menge von Ba0 und T'02 in der Nähe ihrer Maxima liegen, fördert sie doch die Bildung von BaT'03 und unterdrückt die Bildung von weniger wünschenswerten kristallinen Verbindungen, insbesondere, wenn die Anteile an Ba0 und T'02 hoch sind. Übermäßige Mengen an Fluor machen das Glas jedoch empfindlich für eine Reduktion während des Schmelzvorganges, was einen Rückgang der dielektrichen Eigenschaften zur Folge hat.Although the presence of fluorine is optional when the amount of Ba0 and T'02 are close to their maxima, since it promotes the formation of BaT'03 and suppresses the formation of less desirable crystalline compounds, especially when the proportions of Ba0 and T'02 are high. Excessive amounts of fluorine make the glass sensitive to a reduction during the melting process, which results in a decrease in dielectric properties.
Das Fluor wird in das Glas als Metallfluorid, vorzugsweise als Fluorid eines Metalls der I. oder II. Periodischen Gruppen eingeführt, die thermisch stabiler als andere Fluoride sind. Infolge der Schwankungen ihres Molekulargewichtes ändert sich der Anteil an Fluor als solchem in dieser Zusammensetzung, abhängig vom Metall. Derübersichtlichkeithalber sind beiden im folgenden in kation. Molprozent angegebenen Zusammensetzungen die Prozentsätze des Fluors und des Oxyds des entsprechenden Metalls getrennt angegeben. Auf dieser Basis sollte die maximale Fluormenge einen Anteil von etwa 1,5% nicht überschreiten.The fluorine is present in the glass as a metal fluoride, preferably as a fluoride of a metal of the I. or II. Periodic groups introduced, which are more thermally stable than others are fluorides. As a result of the fluctuations in their molecular weight changes the proportion of fluorine as such in this composition, depending on the metal. For the sake of clarity, both are in cation below. Mole percent indicated Compositions are the percentages of fluorine and oxide of the corresponding metal indicated separately. On this basis, the maximum amount of fluorine should be a proportion of about 1.5%.
Zur weiteren Illustration der Erfindung sind Zusammensetzungen mit
BaT'03 als ferroelektrische Verbindungen, S'02 als glasbildendes Oxyd und AIO1,5
innerhalb der oben angegebenen, zur Durchführung der Erfindung erwähnten Bereiche
in Tabelle 1 in kation. Molprozent auf Oxydbasis, berechnet aus ihren Gemengen,
zusammen mit Zeit (in Stunden) und Temperatur ('C) der Wärmebehandlung, sowie die
Dielektrizitätskonstante K und der Verlustfaktor (L.7.) in Prozent des fertigen
keramischen Körpers, jeweils gemessen bei 25°C, angegeben.
Diese Zusammensetzungen kristallisieren spontan, wenn man nicht die richtige Zusammensetzung verwendet und die Gläser von einer Temperatur oberhalb des Verflüssigungszustandes in wenigen Sekunden, beispielsweise 2 bis 10 Sekunden, auf Temperaturen von etwa 700°C oder darunter abkühlt. Die Schnelligkeit des Abkühlvorganges begrenzt bis zu einem gewissen Ausmaß die Stärke der Gegenstände, die man aus dem geschmolzenen Zustand herstellen kann. Es hat sich herausgestellt, daß die Viskosität im geschmolzenen Zustand so niedrig ist - sie liegt in der Größenordnung von 1 bis 10 Poise bei 1350 bis 1400°C -, daß die Gläser sich insbesondere für die Herstellung dünner Glasscheiben durch Auswalzen eignen.These compositions crystallize spontaneously if one does not have the correct composition used and the glasses from a temperature above the liquefaction state in a few seconds, for example 2 to 10 seconds, cools to temperatures of about 700 ° C or below. The speed of the cooling process limits to some extent the strength of objects that can be removed from the can produce molten state. It has been found that the viscosity when molten is so low - it is on the order of 1 to 10 poise at 1350 to 1400 ° C - that the glasses are particularly suitable for production thin panes of glass by rolling them out.
Solche dünnen Glasscheiben sind besonders für dielektrische Schichtkörper von Kondensatoren geeignet, wie man aus F i g. 7 erkennt, wofür die dünnen Glasschichten in an sich bekannter Weise abwechselnd mit Metallfolienbändern geschichtet oder vor dem Zusammenschichten mit einem elektrisch leitenden Überzug überzogen werden können. Die Glasschichten werden dann durch Erwärmen auf 700°C wieder unter Druck miteinander abgedichtet, so daß sie die Metallschichten einschließen (vgl. USA.-Patent 2 405 529). Darauf wird das Glas durch die oben beschriebene Wärmebehandlung in den halbkristallinen Zustand übergeführt. Nach Tabelle 1 sind die Grundzusammensetzungen der Beispiele 4 und 9 bis 14 einschließlich einander ähnlich und unterscheiden sich prinzipiell nur in ihren Fluoranteilen, wobei die Zusammensetzung 9 frei von Fluor ist und die Zusammensetzungen 4 und 10 bis 14 verschiedene Metallfluoride enthalten. Man erkennt, daß die Einführung von Fluor in das Glas zu einer wesentlichen Steigung der Werte der Dielektrizitätskonstanten und einem geringen Abfall im Verlustfaktor führt. Die Änderung der Dielektrizitätskonstanten bei Raumtemperatur ist jedoch bei dem besonders zugegebenen Metallfluorid gering und nicht kritisch. Die Kurven nach F i g. 1 zeigen allgemein den Einfluß der Änderung des Ti02-Gehaltes in Zusammensetzungen mit einem überschuß an Ba0 und ebenso den Einfluß des Vorhandenseins oder Fehlens von Fluor auf die Dielektrizitätskonstante gegenüber der Temperatur bei gemäß der Erfindung hergestellten Kondensatordielektriken der oben angegebenen Zusammensetzung. Die Beispiele 2, 3 und 11 der Tabelle 1 enthalten Fluor und 23,0, 28,2 bzw. 32,4 kation. Molprozent von TiO2 und sind durch die Kurven 2, 3 und 11 wiedergegeben, während das Beispiel 9 zwar 31,3 kation. Molprozent Ti02, jedoch kein Fluor enthält und durch die Kurve 9 wiedergegeben ist. Geringe Änderungen bei der Wärmebehandlung und/oder im Si02-A1203-Verhältnis, BaO-Ti02-Verhältnis und des Fluorgehaltes haben einen unbedeutenden Einfluß auf die Kurven. Der Curie- Punkt, der sich durch den maximalen Wert von K bei etwa 120°C anzeigt, läßt sich bei jeder Kurve 2, 3 und 11 feststellen und steht in Übereinstimmung mit den bekannten Daten bei BaTi03 allein. Ein großer Unterschied in der Dielektrizitätskonstanten und im Curie-Punkt ergibt sich bei der Kurve 9 im Vergleich zur Kurve 11 und zeigt an, daß vorhandenes Fluor die Bildung von BaTi03 während der Wärmebehandlung der Glaszusammensetzungen fördert. Die Zusammensetzungen 15 und 16 nach Tabelle I enthalten einen überschuß an Ti02.Such thin glass panes are particularly suitable for dielectric layer bodies of capacitors, as can be seen from FIG. 7 recognizes why the thin glass layers can be alternately layered with metal foil strips in a manner known per se or coated with an electrically conductive coating before being layered together. The glass layers are then sealed to one another again by heating to 700 ° C. under pressure so that they enclose the metal layers (see US Pat. No. 2,405,529). The glass is then converted into the semicrystalline state by the heat treatment described above. According to Table 1, the basic compositions of Examples 4 and 9 to 14, inclusive, are similar to one another and differ in principle only in their fluorine proportions, composition 9 being free of fluorine and compositions 4 and 10 to 14 containing different metal fluorides. It can be seen that the introduction of fluorine into the glass leads to a substantial increase in the values of the dielectric constants and a small decrease in the dissipation factor. The change in the dielectric constant at room temperature is, however, small and not critical in the case of the particularly added metal fluoride. The curves according to FIG. 1 generally show the influence of the change in the TiO2 content in compositions with an excess of BaO and also the influence of the presence or absence of fluorine on the dielectric constant versus temperature in capacitor dielectrics made according to the invention and having the above composition. Examples 2, 3 and 11 of Table 1 contain fluorine and 23.0, 28.2 and 32.4 cation, respectively. Mole percent of TiO2 and are represented by curves 2, 3 and 11, while Example 9 is 31.3 cation. Mol percent Ti02, but does not contain fluorine and is shown by curve 9. Small changes in the heat treatment and / or in the Si02-A1203 ratio, BaO-Ti02 ratio and the fluorine content have an insignificant influence on the curves. The Curie point, which is indicated by the maximum value of K at around 120 ° C., can be determined for every curve 2, 3 and 11 and is in agreement with the known data for BaTi03 alone. A large difference in dielectric constant and Curie point is found in curve 9 compared to curve 11 and indicates that fluorine present promotes the formation of BaTiO 3 during the heat treatment of the glass compositions. The compositions 15 and 16 according to Table I contain an excess of TiO2.
In der Zusammensetzung 14 wurde Fluor als BaF2 eingeführt, von dem das Barium als Ba0 in der Gesamtmenge Ba0 eingeschlossen ist.In composition 14, fluorine was introduced as BaF2, of which the barium is included as Ba0 in the total Ba0.
In F i g. 2 sind Kurven wiedergegeben, die den Einfluß auf die Dielektrizitätskonstante
gegenüber der Temperatur zeigen, der durch die Zugabe stabiler OxydezueinemhalbkristallinenKörpernachBeispiel
10 der Tabelle 1 hervorgerufen ist. Ähnliche Wirkungen werden durch die gleichen
Oxyde hervorgerufen, wenn man sie zu anderen Zusammensetzungen nach Tabelle I hinzugibt.
Die Menge solcher Oxyde sollte etwa 10 kation. Molprozent und vorzugsweise etwa
4 kation. Molprozent entweder allein oder zusammen nicht überschreiten. So zeigt
insbesondere die Kurve A die Zusammensetzung nach Beispiel 10 allein, und die Kurven
B, C, D, E und F zeigen im Vergleich dazu die gleiche Zusammensetzung unter
Einbau stabiler Oxyde, wie sie beispielsweise in Tabelle 1I wiedergegeben sind.
Dort bedeuten die einzelnen Spalten: 1. die Menge der zu der Zusammensetzung 10
hinzugegebenen entsprechenden glasbildenden Oxyde in kation. Molprozent; 2. die
entsprechende Dielektrizitätskonstante K bei 25'C, 3. den Verlustfaktor L. T. bei
25°C; 4. den Curie-Punkt (C. P.) in °C; 5. die Dielektrizitätskonstente K beim Curie-Purikt;
6. die Art der Kurve A, B, C, D, E oder F entsprechend dem Curie-Punkt; 7.
die maximale Menge des zugegebenen Oxyds, wenn mit »best« bezeichnet. Die Dielektrizitätskonstante
und der Verlustfaktor sind bei einer Frequenz von 1 MHz gemessen.
Die Beigabe von Oxyden von In, Ce, Zr, Sb, Nb oder Fe senkt den Curie-Punkt auf etwa 80°C, wie man aus der Kurve B der F i g. 2 erkennt, die charakteristisch für solche Oxyde enthaltende Zusammensetzungen ist.The addition of oxides of In, Ce, Zr, Sb, Nb or Fe lowers the Curie point to about 80 ° C., as can be seen from curve B in FIG. 2 recognizes the characteristic for compositions containing such oxides.
Eine allgemein zwischen den Kurven A und B liegende, jedoch in F i g. 2 nicht wiedergegebene Kurve erhält man bei Zugabe der Oxyde von Sr, Cd, La, Cr oder Cu.A generally between curves A and B , but shown in FIG. The curve not shown in Figure 2 is obtained by adding the oxides of Sr, Cd, La, Cr or Cu.
Die Kurve C veranschaulicht den Einfuß der Zugabe der Oxyden von Mg, Sn oder Co, welche den Curie-Punkt in die Nachbarschaft von 50°C senkt.Curve C illustrates the influence of the addition of the oxides of Mg, Sn or Co, which lowers the Curie point in the vicinity of 50 ° C.
Wie man aus der Kurve D erkennt, erzeugt die Zugabe von Zn0 Curie-Punkt in der Nähe der Raumtemperatur und senkt außerdem den Verlustfaktor wesentlich.As can be seen from curve D, the addition of Zn0 creates Curie points close to room temperature and also significantly reduces the loss factor.
Einen niedrigen Verlustfaktor erhält man auch durch Zugabe von Oxyden von Mn, wie sich aus Kurve E ergibt, und durch Zugabe eines Oxyds von Ni, wie man aus der Kurve F erkennt.A low loss factor can also be achieved by adding oxides of Mn, as can be seen from curve E, and by adding an oxide of Ni, how to recognizes from the curve F.
Die Zugabe eines Oxydes von Bi, wie in Tabelle Il angegeben, steigert den Curie-Punkt, wie man aus der Kurve G erkennt.The addition of an oxide of Bi, as indicated in Table II, increases the Curie point, as can be seen from curve G.
Die Temperaturen, auf die die Kondensatoren erwärmt werden müssen, um ihr Dielektrikum in ferroelektrische halbkristalline keramische Körper umzuwandeln, ändern sich mit der Zusammensetzung und sind allgemein niedriger für das glasbildende Oxyd B203 oder Mischungen von B203 und Si02 oder P205 enthaltende Zusammensetzungen. Die richtige Wärmebehandlungstemperatur ändert sich auch mit dem gewünschten Anteil der ferroelektrischen kristallinen Phase und ist höher, je höher die gewünschte Menge der ferroelektrischen Phase oder Phasen ist. Es ist deshalb unmöglich, eine Temperatur oder einen Temperaturbereich anzugeben, der für alle Zusammensetzungen geeignet oder wirksam ist, jedoch lassen sich mit Hilfe des bekannten »Differential-Thermal-Analyse- oder DTA-Verfahrens« nach »Differential Thermal Analysis: Theory and Practice« von W. J. S m o t h e r s, 1958, die annähernden Anlaß- und Erweichungspunkte und die Wärmebehandlungstemperatur für jedes besondere für den Kondensator verwendete Glas leicht bestimmen. Nach diesem Verfahren wird die Temperatur einer kleinen, eine gepulverte Probe des in der Wärme zu behandelnden Glases enthaltende Kapsel langsam gesteigert, und es werden mittels eines in das gepulverte Glas eingesetzten Thermoelements, dessen EMK derjenigen eines ähnlichen, in ein inertes, in gleicher Weise erhitztes Pulver, beispielsweise A1203 eingesetzten Thermoelementes entgegenwirkt, zusammen mit automatischer Temperaturaufzeichnung alle endothermen und exothermen Reaktionen innerhalb des Glases bei seiner Temperatur auf einem kontinuierlichen Streifen aufgezeichnet, dessen Abszisse die zunehmende Temperatur angibt. Solange im Glas keine Reaktion auftritt, ist das Differential Null, und die Kurve ist eine im wesentlichen gerade horizontale Linie. Ist der Anlaßpunkt des Glases erreicht, dann wird der Beginn eines Abfalls in der Kurve sichtbar, welcher den Beginn einer Wärmeabsorption anzeigt. Die Temperatur an der tiefsten Stelle dieses Abfalls ist dann der Erweichungspunkt des Glases. Dieser Abfall tritt im Bereich von etwa 500 bis etwa 700°C für die vorliegenden Gläser auf. Wird die Temperatur weiter gesteigert, und geht die endotherme Reaktion zuende, dann kehrt die Kurve in die Horizontale zurück, und bei 50 bis 150°C oberhalb dieses Anlaßpunktes tritt eine exotherme Reaktion auf, welche eine plötzliche ausgeprägte Spitze in der Kurve hervorruft, welche nach Röntgen-Beugungs-Meßwerten die Kristallisation der ferroelektrischen Verbindung als Primärkristallinen-Phaseanzeigt. DieAbtrennung deranderen kristallisierbaren Phasen wird, falls solche vorhanden sind, durch entsprechende, auf die erste Spitze folgende Spitzen angezeigt. Einige 100° oberhalb der Temperatur der ersten Spitze tritt ein Abfall in der Kurve auf, welche das erste Schmelzen der kristallinen Phase wiedergibt. Der zweckmäßige Bereich der Wärmebehandlungstemperaturen für die erfindungsgemäßen Kondensatoren liegt im allgemeinen zwischen der Temperatur der ersten DTA-Spitze oder Kristallisation der ferroelektrischen kristallinen Phase und einer Temperatur von etwa 50°C unterhalb der tiefsten Stelle des ersten Schmelzabfalls. Die für die Wärmebehandlung erforderliche Zeit schwankt zwischen einer Stunde bei der Spitzentemperatur der Kristallisation der ferroelektrischen Phase bis wenigstens '/2 Minute bei etwa 50°C unterhalb der tiefsten Stelle des ersten Schmelzabfalls der DTA-Kurve des entsprechenden Glases.The temperatures to which the capacitors must be heated to convert your dielectric into ferroelectric semi-crystalline ceramic bodies, change with composition and are generally lower for the glass forming Compositions containing oxide B203 or mixtures of B203 and Si02 or P205. The correct heat treatment temperature also changes with the desired proportion the ferroelectric crystalline phase and the higher the higher the desired Amount of ferroelectric phase or phases. It is therefore impossible to have one Specify temperature or a temperature range common to all compositions is suitable or effective, but with the help of the well-known »differential thermal analysis or DTA method "according to" Differential Thermal Analysis: Theory and Practice "by W. J. S m o t h e r s, 1958, the approximate tempering and softening points and the Heat treatment temperature for each particular glass used for the condenser easily determine. After this procedure, the temperature becomes a small, one powdered sample of the heat-treated glass containing capsule slowly increased, and by means of a thermocouple inserted into the powdered glass, whose emf is that of a similar one, heated in the same way into an inert one Powder, for example A1203 thermocouple used counteracts, together with automatic temperature recording all endothermic and exothermic reactions recorded on a continuous strip inside the glass at its temperature, whose abscissa indicates the increasing temperature. As long as there is no reaction in the glass occurs, the differential is zero and the curve is essentially straight horizontal line. If the starting point of the glass is reached, then the beginning is a drop visible in the curve, which indicates the beginning of heat absorption. The temperature at the lowest point of this drop is then the softening point of the glass. This drop occurs in the range of about 500 to about 700 ° C for the present Glasses on. If the temperature is increased further, the endothermic reaction continues ends, then the curve returns to the horizontal, and at 50 to 150 ° C above At this point, an exothermic reaction occurs, which is a sudden and pronounced one Caused peak in the curve, which according to X-ray diffraction measurements, the crystallization of the ferroelectric compound as the primary crystalline phase. The separation the other crystallizable phases, if they are present, by appropriate, peaks following the first point are displayed. A few 100 ° above the temperature At the first peak, there is a drop in the curve which the first melting the crystalline phase reproduces. The appropriate range of heat treatment temperatures for the capacitors according to the invention is generally between the temperature the first DTA tip or crystallization of the ferroelectric crystalline phase and a temperature of about 50 ° C below the lowest point of the first melt drop. The time required for the heat treatment varies between one hour the peak temperature of crystallization of the ferroelectric phase to at least 1/2 minute at about 50 ° C below the lowest point of the first drop in enamel the DTA curve of the corresponding glass.
F i g. 3 zeigt die DTA-Kurve für die Zusammensetzung 4 nach Tabelle
I, die typisch für Zusammensetzungen mit Ba0, Ti02, Si02 und A1203 ist. Aus der
Kurve erkennt man, daß das Glas der Zusammensetzung 4 einen Anlaßpunkt von etwa
670° C hat, die ferroelektrische kristalline Phase bei etwa 820'C
kristallisiert
und der erste Schmelzpunkt bei etwa 1280°C liegt. Es hat sich herausgestellt, daß
der breite Gesamtbereich von zur Wärmebehandlung solcher Gläser geeigneten Temperaturen
und für jedes der allgemein hier beschriebenen Gläser sich von der Spitzentemperatur
der Kristallisation der ferroelektrischen Kristallphase zu einer Temperatur von
etwa 50°C unterhalb des ersten Schmelzpunktabfalls der DTA-Kurve des entsprechenden
Glases erstreckt und daß die optimale Temperatur in einem solchen Bereich zwischen
der Spitze der ferroelektrischen Kristallphase und dem Scheitel des ersten Schmelzpunktabfalls
dieser Kurve liegt. Für die Zusammensetzung 4 erkennt man, daß sich dieser Temperaturbereich
von etwa 820 bis etwa 1230°C erstreckt und daß das Optimum zur Erzielung eines hohen
K-Wertes bei etwa 1050°C liegt. Zur Erläuterung sind die annähernden Werte für den
Anlaßpunkt, die Spitzentemperatur der ferroelektrischen kristallinen Phase und der
erste Schmelzabfall jeder der Zusammensetzungen 1 bis 14 nach Tabelle I in der Tabelle
III in °C wiedergegeben.
Die Zusammensetzungen der Tabelle 1I enthalten einzeln die Oxydkomponenten
von BaTi03 zusammen mit SiO2, A1203 und ein aus den stabilen Oxyden einer Vielzahl
von Elementen ausgewähltes Oxyd. Diese Glaszusammensetzungen führen zu halbkristallinen
Körpern mit zweckmäßigen und wünschenswerten dielektrischen Eigenschaften. Es wurde
ferner festgestellt,
daß man eine große Anzahl von Glaszusammensetzungen,
die bei Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung brauchbare halbkristalline
Produkte liefern, dadurch herstellen kann, daß man solche stabile Oxyde in aus Oxydkomponenten
BaTi03 und ein glasbildendes Oxyd enthaltende Zusammensetzungen einführt. Beispiele
solcher Zusammensetzungen, die aus Oxydkomponenten von BaTi03 und einem der glasbildenden
Oxyde Si02, B203 und P205 und dem zusätzlichen stabilen Oxyd bestehen, sind in Tabelle
V in kation. Molprozent zusammen mit ihren entsprechenden Werten von K, L. T.
aufgeführt. Die Zusammensetzungen nach Tabelle V führen alle zu Gläsern, wenn ihre
Schmelzen rasch gekühlt werden. Einige dieser Zusammensetzungen enthalten stöchiometrische
Mengen von Ba0 und Ti0z, und die kation. Molprozentsätze sind in solchen Fällen
immer gleich. Liegen entweder Ba0 oder TiO2 im Uberschuß über die stöchiometrische
Menge vor, wie es sich aus den entsprechenden angegebenen Prozentsätzen ergibt,
dann läßt sich der Prozentsatz eines solchen Überschusses gegebenenfalls nach üblichen
Verfahren errechnen. Zusammensetzungen, in denen das glasbildende Oxyd B203 ist,
werden bei etwa 850°C 2 Stunden lang in der Wärme behandelt. Alle anderen Zusammensetzungen
nach Tabelle V werden für 2,5 Stunden bei etwa 1000°C behandelt.
Die Zusammensetzungen nach Tabelle VI sind in kation. Molprozent angegeben
und enthalten die Oxydkomponenten einer Vielzahl von ferroelektrischen Verbindungen
einschließlich einiger oder mehrerer des Titanats von Barium oder Kadmium, des Niobats
von Natrium oder Kalium oder Strontium oder Kadmium oder Barium oder Blei, des Zirkonats
von Kadmium oder Barium oder Blei, des Tantalats von Natrium oder Kadmium, des Ferrats
von Blei oder Lanthanum des Germanats von Eisen oder des Oxyds von Wolfram, nämlich
W03. Jedes Glas nach Tabelle VI enthält nach der Wärmebehandlung eine oder mehrere
solcher hohe Dielektrizitätskonstante zeigender Kristallphasen (Hi Perm). Die wahrscheinlichsten
Phasen sind für die entsprechenden Zusammensetzungen angegeben. Es ist jedoch selbstverständlich,
daß, obwohl möglicherweise für das halbkristalline Produkt jeder Zusammensetzung
alle hohe Dielektrizitätskonstante zeigenden kristallinen Phasen oder feste Lösungen
angegeben sind, nicht versucht wurde, alle hier zu identifizieren, andererseits
zeigen die hohen Dielektrizitätskonstanten die Anwesenheit einer oder mehrerer in
der Tabelle angegebener ferroelektrischer Phasen. Die Substanzen zeigen im fertigen
halbkristallinen Zustand im allgemeinen Hystereseeffekte,-die charakteristisch für
ferroelektrische Substanzen sind.
Die entsprechenden Lagen der Spitzen und Abfälle dieser Kurven entsprechen roh denjenigen der DTA-Kurve nach F i g. 3. Aus der Kurve erkennt man, daß die Glaszusammensetzung 76 einen Anlaßpunkt bei etwa 600°C aufweist, eine erste ferroelektrische Phase bei etwa 690°C besitzt und einen ersten Schmelzabfall bei etwa 1170°C zeigt. Der Gesamtbereich der Temperaturen, die sich für die Wärmebehandlung dieses Glases eignen, liegt zwischen 690 und 1160'C, mit einem Optimum bei etwa 905°C. Man benötigt eine 2 Stunden dauernde Wärmebehandlung, um bei der optimalen Wärmebehandlungstemperatur eine Maximalkristallisation zu erzielen.The corresponding positions of the peaks and slopes of these curves roughly correspond to those of the DTA curve according to FIG. 3. It can be seen from the curve that the glass composition 76 has a tempering point at about 600.degree. C., has a first ferroelectric phase at about 690.degree. C. and shows a first melt drop at about 1170.degree. The total range of temperatures that are suitable for the heat treatment of this glass is between 690 and 1160 ° C, with an optimum at around 905 ° C. A heat treatment lasting 2 hours is required in order to achieve maximum crystallization at the optimal heat treatment temperature.
Es ist darauf hifizuweisen, daß die Zusammensetzung 90 nach Tabelle VI die bildenden Oxyde der ferroelektrischen Verbindungen BaT'03 und NaNb03 in ihrer Gesamtmenge von 86,4 kation. Molprozent enthält. Die Dielektrika für die Kondensatoren gemäß der Erfindung sollen vorzugsweise nicht mehr als 90% der bildenden Oxyde der ferroelektrischen Verbindungen enthalten, da eine geringe Menge einer glasigen Phase oder Struktur wünschenswert ist, um dem halbkristallinen Körper mechanische Festigkeit zu geben. Andererseits enthält die Zusammensetzung 5 nach Tabelle I eine berechnete Gesamtmenge von nur 39,4 kation. Molprozent BaTi03 und besitzt eine Dielektrizitätskonstante K = 300. Zusammensetzungen mit weniger als etwa 30 kation. Molprozent der gesamten bildenden Oxyde einer oder mehrerer ferroelektrischen Verbindungen haben vergleichsweise niedrige Dielektrizitätskonstanten,obwohl sie noch einen guten Isolationswiderstand und verhältnismäßig hohe Uberschlagspannung besitzen.It is to be noted that the composition 90 according to table VI the forming oxides of the ferroelectric compounds BaT'03 and NaNb03 in their Total amount of 86.4 cation. Contains mole percent. The dielectrics for the capacitors according to the invention should preferably not more than 90% of the oxides forming ferroelectric compounds contain, as a small amount of a glassy phase or structure is desirable to that semi-crystalline body to give mechanical strength. On the other hand, the composition contains 5 after Table I a calculated total of only 39.4 cation. Mole percent BaTi03 and has a dielectric constant K = 300. Compositions with less than about 30 cation. Mole percent of the total constituent oxides of one or more ferroelectric Compounds have comparatively low dielectric constants, although they do still a good insulation resistance and a relatively high flashover voltage own.
Im allgemeinen sind die Kondensatoren gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ungewöhnlich hohen Isolationswiderstand bis zu ]0 Ohm bei 400°C (Zusammensetzung 11 nach Tabelle I) und Uberschlagsspannungen bis zu 4 - 10' Volt Gleichstrom pro Zentimeter oder 2 - 105 Volt Wechselstrom pro Zentimeter (ein Durchschnittswert einer der häufigsten Zusammensetzungen im System Ba0-Ti02-Si02-A1203). In den Kurven nach F i g. 6 ist die Dielektrizitätskonstante als Funktion der Temperatur für halbkristalline Produkte einer Anzahl der Zusammensetzungen nach Tabelle VI angegeben. Die Kurven sind durch die Ziffern der entsprechenden Zusammensetzungen bezeichnet, und die Temperaturen. bei denen die entsprechenden Zusammensetzungen in der Wärme behandelt werden, um sie in den halbkristallinen Zustand zu überführen, sind ebenfalls angegeben. Man erkennt aus den Kurven. daß man eine Vielzahl von Änderungen der Kapazität mit der Temperatur mit Hilfe der verschiedenen Zusammensetzungen erhalten kann.In general, the capacitors according to the invention are characterized by an unusually high insulation resistance of up to ] 0 ohms at 400 ° C (composition 11 according to Table I) and flashover voltages of up to 4 - 10 ' volts direct current per centimeter or 2 - 105 volts alternating current per centimeter ( an average value of one of the most common compositions in the Ba0-Ti02-Si02-A1203 system). In the curves according to FIG. Figure 6 shows the dielectric constant as a function of temperature for semicrystalline products of a number of the compositions according to Table VI. The curves are indicated by the numerals of the respective compositions, and the temperatures. in which the corresponding compositions are treated in the heat in order to convert them into the semicrystalline state are also indicated. You can see it from the curves. that a variety of changes in capacitance with temperature can be obtained with the aid of the various compositions.
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