DE2158952B1 - Keramisches Dielektrikum - Google Patents

Description

• Als zweckmäßige Mischungen eines Dreistoffsystems auf der Basis von BaO-TiO2-ZrO2 mit Manganzusatz als keramisches Dielektrikum werden Mischungen verwendet, die aus 3 bis 43 Gewichtsprozent Bariumtitanat, 48 bis 94 Gewichtsprozent Titandioxid, 2 bis 12 Gewichtsprozent Zirkondioxid und 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent einer Mangan(II)-Verbindung bestehen. Diese Mischung kann zwischen 1250 und 13500C dicht gebrannt werden. Das gebrannte Material hat ein e von 35 bis 95 und einen TKc von Null bis -800 106/0C.
• Ein Dielektrikum mit einem TKc von Null (sogenannte NPO-Massen) erhält man beispielsweise bei folgender Zusammensetzung: 41,3 Gewichtsprozent Bariumtitanat, 49,5 Gewichtsprozent Titandioxid und 7,7 Gewichtsprozent Zirkondioxid.
• Diese Masse wird verbessert durch einen Zusatz von 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent Manganoxid. Das Dielektrikum hat ein 8 von etwa 38.
• Bei einem zu hohen Anteil an Mangan neigt die Masse beim Brennen dazu, an der Unterlage zu kleben oder daß aneinanderliegende Teile aus dieser Masse aneinanderkleben.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Verwendung einer keramischen Masse, bfr stehend aus einem oder mehreren Metatitanaten der zwei- und/oder dreiwertigen Metalle mit einem höheren Gehalt an TiO2 als der stöchiometrischen Zusammensetzung mit den zwei- oder dreiwertigen Metallen zur Bildung der Metatitanate entspricht, sowie einem Zusatz von 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Manganoxid für ein Dielektrikum mit hoher Dauerspannungsfestigkeit bei Betriebs- -temperatur. -2. Verwendung einer keramischen Masse nach Anspruch 1 auf der Basis des Dreistoffsystems Bariumoxid-Titandioxid-Zirkonoxid für ein Di elektrikum mit einem e bis zu 100 und einem Temperaturkoeffizienten der Kapazität zwischen Nüll und -750 10-/0fC.

   3. Keramisches Dielektrikum nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von 3 bis 43 Gewichtsprozent Bariumtitanat, 48 bis 94 Gewichtsprozent Titandioxid, 2 bis 12 Gewichtsprozent Zirkondioxid und 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Mangandioxid.

   4. Keramisches Dielektrikum nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von 41,3 Gewichtsprozent Bariumtitanat, 49,5 Gewichtsprozent Titandioxid, 7,7 Gewichtsprozent Zirkondioxid und 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent Mangandioxid für ein Dielektrikum mit einem TKc von nahezu oder gleich Null.

   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein keramisches Dielektrikum aus einem oder mehreren Metatitanaten der zwei- und/oder dreiwertigen Metalle mit einem höheren Gehalt an TiO2 als der stöchiometrischen Zusammensetzung mit den zwei- und/oder dreiwertigen Metallen zur Bildung der Metatitanate entspricht.

   Um bei keramischen Dielektriken auf der Basis der Erdalkalititanate (BaM03,~ CaTiOo, SrTiO3) gute eleks trische Eigenschaften zu erhalten, ist es aus der USA.-Patentschrift 2469 584 bekannt, diesen Stoffen 0,05 bis 1 Gewichtsprozent Mangandioxid zuzumischen. Hierdurch wird der VerIustfaktor verringert, die Dielektrizitätskonstante etwas erhöht und die Brenntemperatur herabgesetzt. Dies beruht auf einer Mischkristallbildung, indem das Mangan mit den übrigen Substanzen chemisch reagiert und somit neue Verbindungen entstehen, die die gewünschten guten Eigenschaften verursachen.

   Es ist auch aus der deutschen Auslegeschrift 1 124109 bekannt, einem Dielektrikum auf der Basis von Barium-, Strontium-, Calcium- oder Lanthantitanaten 1 bis 10 0/o eines Oxides von unter anderem Mangan zuzusetzen, um die elektrischen Eigenschaften, insbesondere den Verlustfaktor in bezug auf die Abhängigkeit von der Frequenz zu beeinflussen.

   Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- grunde, eine hohe Spannungsfestigkeit bei Betriebstemperatur über sehr lange Zeit zu er4elen.- Dadurch soll die dielektrische Keramik eine höhere Dauerbelastung, insbesondere bei hohen Spannungen, aushalten können.

   Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verwendung einer keramischen Masse, bestehend aus einem oder mehreren Metatitanaten der zwei- und/oder dreiwertigen Metalle mit einem höheren Gehalt an TiO2 als der stöchiometrischen Zusammensetzung mit den zwei- und/oder dreiwertigen Metallen zur Bildung der Metatitanate entspricht, sowie einem Zusatz von 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Manganoxid für ein Dielektrikum mit hoher Dauerspannungsfestigkeit bei Betriebstemperatur.

   Es hat sich herausgestellt, daß es sehr darauf ankommt, daß Manganoxid, also die zweiwertige Form des Mangans, im Dielektrikum vorliegt, da gerade diese in den angegebenen Grenzen die hohe Dauerspannungsfestigkeit und daher lange Lebensdauer garantiert. So ändern sich beispielsweise bei einer Belastung von 2 kV Feldstärke und 125"C Betriebstemperatur nach 1000 Stunden die elektrischen Eigenschaften nur unwesentlich. Eingehende Versuche haben gezeigt, daß Abweichungen von den beanspruchten Grenzwerten die Dauerspannungsfestigkeit bereits stark beeinflussen, während die übrigen elektrischen Eigenschaften kaum meßbare Änderungen aufweisen.

   Diese überraschenden Tatsachen können vermutlich damit erklärt werden, daß bei dem verwendeten Stoffsystem beim Brennen in oxydierender Atmosphäre das Titan-Ion zwar in vierwertiger Form erhalten wird. Unter dem Einfluß der angelegten Spannung, z. B. an die Elektroden eines aus diesem Material hergestellten keramischen Kondensators, können einige dieser Titan-Ionen durch Sauerstoffabspaltung in die dreiwertige Form übergehen und damit eine Verschlechterung des Verlustfaktors und damit einhergehend der Dauerspannungsfestigkeit hervorrufen. Es besteht auch theoe-sch die Möglichkeit, wenn einmal einige vierwertige Titan-Ionen in die zweiwertige Form übergegangen und dadurch Fehlstellen im Gitter aufgetreten sind, durch die eine gewisse Elektronenleitfähigkeit auftritt, daß nach und nach immer mehr solche Übergänge auftreten, bis die Leitfähigkeit bzw. der Verlustfaktor so groß wird, daß ein plötzlicher Durchschlag erfolgt.

   Das Mangan wird als Mangan(II)-Verbindung, z. B.

   in Form von Mangankarbonat oder Mangansulfat der Ausgangsmischung zugeführt: Das gilt für alle Metatitanate oder Mischkristalle, die diese Titanate enthalten, beispielsweise Ba-, Ca-, Sr-Titanat oder eine Mischung derselben oder z. B.

   eine Keramik aus Bariumtitanat-Calziumzirkonat-Magnesiuruzirkonat, die mehr Titandioxid aufweisen als zur Bildung der Metatitanate erforderlich ist. Der Überschuß an Titandioxid kann dabei sehr klein oder so groß sein, daß es als selbständige Phase im keramischen Dielektrikum auftritt.

   Bei dem erfindungsgemäßen Zusatz von Manganoxid zu Massen mit höherem E als 100 und bei den sogenannten HDK-Massen wird zusätzlich das Wachstum der Kristallite verhindert. Hierdurch erhält man eine feinkristalline Keramik mit guten elektrischen Eigenschaften.