DE1471490C3 - Keramisches Dielektrikum - Google Patents
Keramisches DielektrikumInfo
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Description
Die Erfindung betrifft keramische Dielektrika mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere bezüglich
einer guten Temperaturcharakteristik, der Aufrechterhaltung eines hohen Wertes der Dielektrizitätskonstante
und niedriger dielektrischer Verluste.
Als dielektrisches Material sind ferroelektrische Keramika des Bariumtitanattyps weitgehend bekannt.
Nahezu reines Variumtitanat hat bei Raumtemperatur eine Dielektrizitätskonstante von etwa 2 000, die sich
mit der Temperatur verhältnismäßig wenig ändert. Der' Curiepunkt liegt bei etwa 120° C, und in Nähe dieser
Temperatur steigt die Dielektrizitätskonstante in einem steilen und hohen Maximum zu einem Wert von
etwa 12 000 an. tg δ ist bei Raumtemperatur einigermaßen
beträchtlich und wird kleiner, wenn die Temperatur den Curiepunkt überschreitet.
Es wurde daher versucht, den Curiepunkt in den Bereich der Gebrauchstemperaturen herabzuverschieben,
um dort eine hohe Dielektrizitätskonstante zu erhalten. Hieizu hat man das Bariumtitanat mit Zusätzen
von Bariumzirkonat, Strontiumtitanat oder Bariumstannat versehen. Auf diese Weise kann man
zu hohen Dielektrizitätskonstanten und niedrigen dielektrischen Verlusten kommen, aber die starke Änderung
der Dielektrizitätskonstante bei Temperaturänderung konnte nicht vermieden werden. Durch
Zusätze von Calciumtitanat oder Magnesiumtitanat zum Bariumtitanat wird die Temperaturkurve der
Dielektrizitätskonstante zwar abgeflacht, man erhält jedoch eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante.
Gemäß der Erfindung wird Nioboxyd (Nb2O5) als
Mineralisator einem Gemisch aus Bariumtitanat (BaTiO3), Bleititanat (PbTiO3) und Wismutstannat
(Bi2[SnO3]3) zugesetzt.
Aus der US-PS 30 80 239 ist ein keramisches Dielektrikum bekannt, das als Hauptbestandteil BaTiO3
und nebenher noch Bi2(SnO3)3, Bi2O3 und Nb2O5 enthält.
Dieses Material erfordert aber eine hohe Brenntemperatur von etwa 1400° C, während mit der erfindungsgemäßen
Zusammensetzung die Verglasung leicht und schnell bei einer viel niedrigeren Temperatur
von etwa 11800C erfolgt und die gebrannten Körper eine geringe Porosität, eine ausreichende mechanische
Festigkeit und eine hohe Dielektrizitätskonstante (DK) mit ziemlich kleinem Temperaturkoeffizienten aufweisen.
Erfindungsgemäß kann man den Temperaturkoeffizienten leicht einstellen mittels Nb2O5, wobei die
beanspruchten Mengen an Nb2O5 keine ungünstigen
Auswirkungen auf die DK und tg δ haben. Die erfindungsgemäßen Dielektrika haben also grundsätzlich
andere Zusammensetzung und verbesserte dielektrische Eigenschaften. Bei der Herstellung besteht der in verschiedener
Hinsicht bedeutungsvolle Vorteil der erheblich niedrigeren Brenntemperaturen.
Aus der DT-PS 11 39 063 ist ein Dielektrikum bekannt, das aus BaTiO3, ZrO2 und Bi2O3 besieht, wobei
der Zusatz an ZrO2 die Verschiebung des Curiepunktes und das Bi2O3 eine Ausgleichung des scharfen Maximums
der DK beim Curiepunkt bewirken soll. Erfindungsgemäß hingegen erhält man Dielektrika mit
nahezu temperaturunabhängiger DK mittels genauer Kontrolle des NbäOä-Zusatzes, ohne daß die DK erniedrigt
wird. Außerdem werden bessere Werte für tg δ erreicht.
Es ist bekannt, daß der alleinige Zusatz von Bi2O3
ίο zu BaTiO3 zu einer niedrigeren DK und zu höheren
Werten für tg δ führt.
Bekannt sind ferner aus der DT-PS 11 04 882 feste Lösungen des BaTiO3 nach der Formel A1Bi7B2O3.
Hingegen bestehen die Körper der Erfindung aus BaTiO3, PbTiO3, Bi2(SnO3X1 und Nb2O5, wobei das bei
dem bekannten Dielektrikum nicht verwendete Stannat ein wichtiger Bestandteil ist. Erfindungsgemäß erhält
man Körper mit hoher DK und kleinen Temperaturkoeffizienten, indem 1 bis 20 Molprozent Bi^(SnOj)3
zusammen mit Nb2O5 zugefügt wird. Hierbei ist das
Nb2O5 in geringen Mengen wirksam und führt nicht
zu unerwünschter Nebenwirkung. Diese Dielektrika haben eine andere Zusammensetzung und bessere
dielektrische Eigenschaften als die bekannten.
In der GB-PS 9 71 107 wird ein Dielektrikum aus BaTiO3, Bi2(SnO3);,, Bi2O3 und Nb2O3 vorgeschlagen,
das eine hohe Überschlagsspannung und hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist. Es wird jedoch eine sehr
hohe Brenntemperatur von etwa 14000C benötigt, während man erfindungsgemäß bei etwa 118O0C zu
einer ausgezeichneten Verglasung gelangt und hierbei Körper erhält, die eine geringe Porosität, ausreichende
mechanische Festigkeit und eine hohe DK bei kleinem Temperaturkoeffizienten aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist ein keramisches Dielektrikum, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es
durch Sinterung eines Gemisches hergestellt ist, das etwa 60 bis ?8 Molprozent BaTiO3, 1 bis 20 Molprozent
PbTiO3, 1 bis 20 Molprozent Bi2(Sn03)3 und als
Mineralisator 0,05 bis 2,0 Gewichtsprozent Nb2O5 enthält.
In eingehenden Untersuchungen wurden die Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Dielektrika
bei verschiedenen Mischungsverhältnissen geprüft und es wurde folgendes gefunden.
Wenn der Gehalt an BaTiO3 98 Molprozent übsrschreitet,
wird die Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstante schlecht. Die Änderung der Dielektrizitätskonstante,
bezogen auf 250C, beträgt mehr als 20%. Ferner wird die Calcinierung schwierig,
weil eine höhere Sintertemperatur erforderlich ist. Wenn der Gehalt unter 60 Molprozent liegt, steigt der
dielektrische Verlust, und die Änderungen der Dielektrizitätskonstante
betragen mehr als 20 %, bezogen auf 25° C. Wenn der Gehalt an PbTiO3 20 Molprozent
übersteigt, erhöht sich der dielektrische Verlust, und die Temperaturcharakteristik wird schlecht. Bei weniger
als 1 Molprozent kann man keine dichten und porenfreien keramischen Körper erhalten, da die erforderliche
Höhe der Sintertemperatur schwerlich zu erreichen ist. Wenn der Gehalt an Bi2(SnO3)., 20 Molprozent
übersteigt, wird die Dielektrizitätskonstante und die Temperaturcharakteristik schlecht. Bei weniger
als 1 Molprozent wird die Temperaturcharakteristik
schlecht und die Änderung der Dielektrizitätskonstante beträgt mehr als 20%.
Die Eigenschaften des Dielektrikums werden durch Zusatz einer geringen Menge Nb2O5 verbessert. Wenn
dieser Zusatz geringer als 0,05 Gewichtsprozent ist, erzielt man keine besondere Wirkung. Bei mehr als 2,0
Gewichtsprozent wird die Dielektrizitätskonstante sehr klein, und die Änderung der Kapazität mit der Temperatur
wird größer als ohne diesen Zusatz.
Nach den Versuchsergebnissen erzielt man die besten Erfolge bei folgenden Mischungsverhältnissen.
BaTiO3 60 bis 98 Molprozent
PbTiO3 . 1 bis 20 Molprozent
Bi2(Sn03)3 1 bis 20 Molprozent
Nb2O5 .'... 0,05 bis 2,0 Gewichtsprozent
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird ein spezifisches Ausführungsbeispiel angegeben.
Aus einem Gemisch äquimolarer Mengen von BaCO3
und TiO2 wurde durch Calcinieren unter Luftzutritt bei 12800C BaTiO3 hergestellt. Dieses wurde pulverisiert
und mit PbO, Bi2O3, SnO2, TiO2 und Nb2O5 vermischt.
Bei diesem Verfahren entstehen PbTiO3 aus PbO und TiO2 und Bi2(SnOa)3 aus Bi2O3 und SnO2. Das Mischungsverhältnis
wurde so gewählt, daß im Endergeb-
Täbelle
nis 96 Molprozent BaTiO3, 1 Molprozent PbTiO3 und
3 Molprozent Bi2(Sn0.,)3 vorhanden waren. Bei acht
verschiedenen Ansätzen wurde Nb2O5 in Mengen zwischen
O bis 3 Gewichtsprozent zugegeben. Diese Gemische wurden unter Druck geformt und bei 1180°C
unter Luftzutritt gesintert.
Die Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten Dielektrika mit verschiedenem Nb2O5-Gehalt sind aus
der Tabelle zu ersehen. Die Dielektrizitätskonstanten ε
ίο und tg δ wurden bei Raumtemperatur ermittelt. Die
Änderung der Kapazitanz nach der negativen und positiven Seite wurde im Bereich von —30 bis + 85°C
gemessen. Alle Messungen wurden bei einer Frequenz von 1 Kilohertz ausgeführt.
Aus der Tabelle geht hervor, daß man die beste Wirkung mit Zusätzen von 0,05 bis 2,0 Gewichtsprozent
erzielt.
Mit einem Dielektrikum gemäß der Erfindung kann man Kondensatoren herstellen, die sehr kleine Abmessungen,
eine hohe Temperaturstabilität und eine extrem niedrige restliche Induktanz aufweisen.
Das Diagramm zeigt die Kurven für die Änderung der Dielektrizitätskonstante, bezogen auf
250C, bei Temperaturen zwischen —30 und +850C.
Die Ziffernbezeichnung der Kurven entspricht den Nummern der Proben in der Tabelle.
| Probe | Nb2O5 | s, tg δ | tg<5(%) | Änderung | der Kapazitanz | 0C | 1 Blatt Zeichnungen | Maximum | negativ |
| Nr. | Gewichts | Raumtemperatur | 2,04 | Maximum | positiv | 85 | % | ■ . °C | |
| prozent | ε | 1,78 | % | 85 | -6,4 | -30 | |||
| 1 | 0 | 1675 | 1,68 | 8,5 | 85 | -2,4 | -30 | ||
| 2 | 0,05 | 1603 | 1,60 | 3,9 | 5 | -1,2 | -30 | ||
| 3 | 0,1 | 1584 | 1,50 | 2,8 | -20 | -1,0 | 60 | ||
| 4 | 0,3 | 1493 | 1,31 | 0,5 | -30 | -1,2 | 65 | ||
| 5 | 0,5 | 1452 | 1,02 | 1,0 | -30 | -2,6 | 70 | ||
| 6 | 1,0 | 1355 | 0,93 | 2,1 | -30 | -5,6 | 85 | ||
| 7 | 2,0 | 1288 | Hierzu | 4,1 | -9,9 | 85 | |||
| 8 | 3,0 | 935 | 6,7 | ||||||
Claims (1)
- Patentanspruch:Keramisches Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet, daß es durch Sinterung eines Gemisches hergestellt ist, das etwa 60 bis 98 Molprozent BaTiO3, 1 bis 20 Molprozent PbTiO3, 1 bis 20 Molprozent Bi2(SnO3)3 und als Mineralisator 0,05 bis 2,0 Gewichtsprozent Nb2O5 enthält.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5749663 | 1963-10-30 | ||
| DET0027300 | 1964-10-27 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1471490C3 true DE1471490C3 (de) | 1977-12-22 |
Family
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