DE827615C - Improvement of ceramic dielectric material - Google Patents

Improvement of ceramic dielectric material

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DE827615C
DE827615C DEU491A DEU0000491A DE827615C DE 827615 C DE827615 C DE 827615C DE U491 A DEU491 A DE U491A DE U0000491 A DEU0000491 A DE U0000491A DE 827615 C DE827615 C DE 827615C
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DE
Germany
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barium titanate
fluoride
sodium
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DEU491A
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Basil Edmund Waye
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UNITED INSULATOR Co Ltd
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UNITED INSULATOR Co Ltd
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/46Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates
    • C04B35/462Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates based on titanates
    • C04B35/465Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates based on titanates based on alkaline earth metal titanates
    • C04B35/468Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates based on titanates based on alkaline earth metal titanates based on barium titanates
    • C04B35/4682Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates based on titanates based on alkaline earth metal titanates based on barium titanates based on BaTiO3 perovskite phase

Description

Die Erfindung bezieht sich auf keramische Körper, welche geeignet zur Verwendung als dielektrisches Material in Kondensatoren und anderen Gegenständen sind. Diese Körper bestehen zum überwiegenden Teil aus Bariumtitanat, welches beispielsweise 90 °/o oder mehr des Körpers ausmachen kann. Solche Körper sind in erster Linie von Bedeutung wegen des hohen in ihnen erreichbaren Wertes ihrer spezifischen Dielektrizitätskonstante.The invention relates to ceramic bodies which are suitable for use as dielectric There are material in capacitors and other objects. These bodies exist for the most part Part made of barium titanate, which can make up 90% or more of the body, for example. Such bodies are primarily of importance because of the high achievable value of themselves in them specific dielectric constant.

Es wurde gefunden, daß Körper von dieser Art, welche eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante von 500 aufwärts besitzen, für viele Anwendungen keinen ausreichend hohen Isolationswiderstand haben, besonders wenn sie erhöhten Temperaturen oder hoher elektrischer Beanspruchung unterworfen werden. Ihr Isolationswiderstand nimmt mit steigender Temperatur ab. Wenn daher der Isolationswiderstand bei Raumtemperatur schon niedrig ist, wird das Ansteigen der Temperatur bei angelegter Spannung verhältnismäßig hoch sein und zu einem ao weiteren Abnehmen des Isolationswiderstands führen. Die Wirkung verstärkt sich, und es kann ein Punkt erreicht werden, bei welchem der Isolationswiderstand so scharf mit ansteigender Temperatur fällt, daß das Material thermische Zerstörung erfährt. Diese Eigenschaft des Materials führt häufig zu einer kurzen Lebensdauer des Geräts. So kann z. B. ein typischer im wesentlichen aus Bariumtitanat bestehender Körper eine Dielektrizitätskonstante von etwa 1200, daneben aber einen spezifischen Volumwiderstand bei Raumtemperatur von zwischen io10 und io12 Ohm je Kubikzentimeter besitzen, welcher auf io9 bis io11 Ohm je Kubikzentimeter bei ioo° fällt. Dieser Umstand beeinträchtigt erheblich die allgemeine Anwendbarkeit dieser Körper.It has been found that bodies of this type, which have a relatively high dielectric constant of 500 and above, do not have a sufficiently high insulation resistance for many applications, especially when they are subjected to elevated temperatures or high electrical stress. Their insulation resistance decreases with increasing temperature. If, therefore, the insulation resistance is already low at room temperature, the rise in temperature when the voltage is applied will be relatively high and lead to a further decrease in insulation resistance. The effect increases, and a point can be reached at which the insulation resistance drops so sharply with increasing temperature that the material experiences thermal destruction. This property of the material often leads to a short service life for the device. So z. B. a typical body consisting essentially of barium titanate have a dielectric constant of about 1200, but also have a specific volume resistance at room temperature of between 10 and 10 12 ohms per cubic centimeter, which falls to 10 9 to 10 11 ohms per cubic centimeter at 100 °. This fact seriously affects the general applicability of these bodies.

Es wurde nun gefunden, daß der Zusatz von gewissen Fluoriden zu diesen Körpern selbst in ganz kleinen Mengen, z. B. ο, ι % aufwärts, die Wirkung hat, den spezifischen Widerstand in bemerkenswertem Grade zu erhöhen. Diese Fluoride sind die Fluoride von Metallen der zweiten Gruppe des Periodischen Systems, nämlich Beryllium, Magnesium, Calcium, Zink, Strontium, Cadmium und Barium, sowie diejenigen von Nickel, Eisen, Natrium und Blei und das gemischte Fluorid des Natrium und Aluminium von der Formel Na3AlF6.It has now been found that the addition of certain fluorides to these bodies even in very small amounts, e.g. B. ο, ι% upwards, has the effect of increasing the specific resistance to a remarkable degree. These fluorides are the fluorides of metals of the second group of the periodic table, namely beryllium, magnesium, calcium, zinc, strontium, cadmium and barium, as well as those of nickel, iron, sodium and lead and the mixed fluoride of sodium and aluminum of the formula Na 3 AlF 6 .

Die Fluoride der Metalle der zweiten Gruppe sind in der britischen Patentschrift 586 802 zu Bariumtitanatkörpern in Mengen von 0,5 bis io°/o zu dem Zwecke der Verbesserung gewisser Eigenschaften, insbesondere der Widerstandsfähigkeit gegen Wärmestöße, erwähnt. Keine Erwähnung ist dort über die Wirkung des Zusatzes auf den spezifischen Widerstand gemacht. The fluorides of the metals of the second group are mentioned in British patent specification 586 802 on barium titanate bodies in amounts of 0.5 to 10% for the purpose of improving certain properties, in particular the resistance to thermal shock. No mention is made of the effect of the additive on the specific resistance.

Der neue auf der Erfindung beruhende Gegenstand ist ein Körper aus keramischem Material, in welchem Bariumtitanat der überwiegende Bestandteil ist und in welchem ein Zusatz eines Fluorids eines Metalls der zweiten Gruppe in Mengen von 0,1 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Körpers bis zu einer Menge, welche unterscheidbar weniger als 0,5 °/o ist oder eines Fluorids von Nickel, Eisen, Natrium u. dgl. oder eines gemischten Fluorids von Natrium und Aluminium der Formel Na3AlF6 in der Menge von 0,1 bis 10 % des Gesamtgewichts des Körpers vorhanden ist. Der hier gebrauchte Ausdruck unterscheidbar weniger als 0,5 % bedeutet nicht mehr als 0,48 °/o.The new article based on the invention is a body made of ceramic material, in which barium titanate is the predominant component and in which an addition of a fluoride of a metal of the second group in amounts of 0.1 percent by weight, based on the total weight of the body up to one Amount which is distinguishably less than 0.5% or a fluoride of nickel, iron, sodium and the like or a mixed fluoride of sodium and aluminum of the formula Na 3 AlF 6 in the amount of 0.1 to 10% the total weight of the body is present. The term distinguishable less than 0,5% as used here means not more than 0,48 ° / o.

Die Körper können in bekannter Weise gemischt und geformt und nach der üblichen Weise wärmebehandelt werden. Die letztere besteht darin, daß eine große Zahl der Körper, gegebenenfalls auf geeigneten Trägern, in einen Ofen gebracht, dann der Ofen geschlossen, die Temperatur allmählich auf den Sinterbereich, d.i. etwa 1100 bis 13500, erhöht und dann das Material auf eine verhältnismäßig geringe Temperatur abkühlen gelassen wird,The bodies can be mixed and shaped in a known manner and heat treated in the usual manner. The latter consists in placing a large number of the bodies, possibly on suitable supports, in a furnace, then closing the furnace, gradually increasing the temperature to the sintering range, i.e. about 1100 to 1350 ° , and then raising the material to a relatively low one Temperature is allowed to cool,

Kör
per
Kör
by
Zusammensetzungcomposition Spez. Widersta
Ohm/ccm
250 I 700
Specific resistance
Ohms / cc
25 0 I 70 0
- ndnd
100°100 °
Dielek
trizitäts
konstante
Dielek
tricity
constant
Leistungs
faktor bei
ι Mc/s
Performance
factor at
ι Mc / s
Leistungs
faktor bei
iKc/s
Performance
factor at
iKc / s
TT tt
AA. Bariumtitanat .. 99
Nickelfluorid.... 1
Borsäure 1
Bentonit 1
Barium titanate .. 99
Nickel fluoride .... 1
Boric acid 1
Bentonite 1
1,06 · io13 1.06 · io 13 2,89. io12 2.89. io 12 I910I910 2,2 %2.2% - 12501250 2525th
BB. Bariumtitanat .. 98,5Barium titanate .. 98.5
Nickelfluorid 1,5Nickel fluoride 1.5
Borsäure 1Boric acid 1
Bentonit 1Bentonite 1
1,35 · io13 1.35 · io 13 9,2 · io13 9.2 io 13 2,94 · io12 2.94 · io 12 20702070 0,4 %0.4% 13501350 1515th
CC. Bariumtitanat . .99
Natriumfluorid.. 1
Borsäure 1
Bentonit 1
Barium titanate. .99
Sodium fluoride .. 1
Boric acid 1
Bentonite 1
9,2 · io13 9.2 io 13 10001000 2,5 %2.5% II50II50 T5T5

bevor der Ofen geöffnet wird. Bei einer solchen Behandlung kann sich das Ansteigen der Temperatur bis zum Spitzenwert über eine Zeit von 10 bis i2Stunden oder länger erstrecken, und das Abkühlen von der Spitzentemperatur auf 9000 herab kann in 2 bis 3 Stunden oder mehr stattfinden. Um indessen den vollen Vorteil des gewünschten Resultats zu erhalten, werden die Körper vorzugsweise nach einem verbesserten Verfahren vorbereitet. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß dieTemperatur des Körpers von 900° bis zur Sintertemperatur oder einer höheren Temperatur erhöht und dann seine Temperatur auf 9000 erniedrigt wird, wobei die Gesamtzeit über 9000 3 Stunden im allgemeinen und 1 Stunde bei Körpern mit einer Wanddicke von unter 0,5 mm nicht überschreitet. Der wesentliche Umstand hierbei ist die Verringerung der Abkühlzeit in dem Bereich von der Spitzentemperatur bis 9000 herunter auf einen kleinen Wert, z. B. auf etwa 15 Minuten. Verringerung der Zeit für das Erhöhen von normaler Temperatur auf den Spitzenwert trägt mitunter auch zu einem verbesserten Ergebnis bei. Eine Zeit von 15 Minuten für das Erhöhen führt zu befriedigenden Ergebnissen und kann vorteilhafterweise mitunter noch verringert werden.before the oven is opened. In such a treatment, the rise in temperature can be up to the peak value over a period of 10 to i2Stunden or longer extend, and cooling from the peak temperature to 900 0 down can take place within 2 to 3 hours or more. However, in order to take full advantage of the desired result, it is preferred to prep the bodies using an improved method. This method is characterized in that the temperature to the sintering temperature or a higher temperature increases the body by 900 ° and then its temperature is lowered to 900 0, where the total time above 900 0 3 hours in general, and for 1 hour at bodies having a wall thickness of less than 0.5 mm. The essential fact here is the reduction of the cooling time in the range from the peak temperature to 900 0 down to a small value, e.g. B. to about 15 minutes. Reducing the time it takes to go from normal temperature to peak can also help improve results. A time of 15 minutes for the increase leads to satisfactory results and can advantageously be reduced from time to time.

Ein wichtiger Umstand zur Erzielung des vollen Vorteils nach der Erfindung ist eine verhältnismäßig kurze Zeit, welche bei oder in der Nähe der Sintertemperatur verbracht wird.An important factor in obtaining full benefit of the invention is relative short time which is spent at or near the sintering temperature.

Beispiele verschiedener Körper mit Gehalt an Metallfluoriden werden noch zur Erläuterung der Erfindung gegeben.Examples of different bodies containing metal fluorides are still used to explain the Invention given.

Die Körper wurden durch Pressen von Scheiben aus einer innigen Mischung der Bestandteile bei einem Druck von 422 kg/cm'- erhalten. Die Größe der Scheibe war etwa 1,25 cm Durchmesser und 0,3 cm Dicke. Sie wurden rasch durch Einbringung eines jeden Körpers in den Bereich der Maximaltemperatur, welche T0 war, in 8 Minuten gebrannt, wobei sie in dieser Stellung t Minuten gehalten, dann unverzüglich aus dem Ofen entfernt und an der Luft abkühlen gelassen.The bodies were obtained by pressing disks from an intimate mixture of the ingredients at a pressure of 422 kg / cm -1. The size of the disc was approximately 1.25 cm in diameter and 0.3 cm in thickness. They were quickly fired in 8 minutes by bringing each body to the maximum temperature range, which was T 0 , holding it in that position for t minutes, then immediately removed from the furnace and allowed to air cool.

Kör
per
Kör
by
Zusammensetzungcomposition Spez. Widersta
Ohm/ccm
25° I 70°
Specific resistance
Ohms / cc
25 ° I 70 °
1,2 · IO13 1.2 IO 13 nd
100°
nd
100 °
Dielek
trizitäts
konstante
Dielek
tricity
constant
Leistungs
faktor bei
ι Mc/s
Performance
factor at
ι Mc / s
Leistungs
faktor bei
ι Kc/s
Performance
factor at
ι Kc / s
TT tt
DD. Bariumtitanat .. 95
Natriumaluminium-
fluorid 5
Borsäure 1
Bentonit 1
Barium titanate. 95
Sodium aluminum
fluoride 5
Boric acid 1
Bentonite 1
9,6 · io13 9.6 io 13 1,1 · IO13 1.1 · IO 13 1,9 %1.9% IIOOIIOO 1515th
EE. Bariumtitanat .. 99
Bleifluorid 1
Borsäure 1
Bentonit 1
Barium titanate .. 99
Lead fluoride 1
Boric acid 1
Bentonite 1
9,0 · io13 9.0 io 13 850850 2,9 %2.9% II50II50 1515th
FF. Bariumtitanat .. 99
Eisenfiuorid 1
Borsäure 1
Bentonit 1
Barium titanate .. 99
Iron fluoride 1
Boric acid 1
Bentonite 1
6,5 · io12 6.5 io 12 2,1· IO12 2.1 · IO 12 12001200 2 %2% 12001200 1515th

Versilberte Elektroden wurden in die Körper nach bekannten Verfahren eingebracht.Silver-plated electrodes were placed in the bodies by known methods.

Dielektrizitätskonstante und Leistungsfaktor wurden bei einer Temperatur von 25° gemessen.Dielectric constant and power factor were measured at a temperature of 25 °.

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: i. Keramischer Körper mit Bariumtitanat als überwiegendem Bestandteil, dadurch gekennzeichnet, daß er eines der folgenden Metallfluoride in der angegebenen Menge enthält: Fluoride des Nickels, Eisen, Natrium, Blei oder gemischtes Fluorid des Natriums und Aluminium von der Formel Na3AlF6 in der Menge von ο, ι bis ι ο °/o des Gesamtgewichts des Körpers oder Fluoride der Metalle der zweiten Gruppe des Periodischen Systems in der Menge von 0,1 bis 0,480A des Gesamtgewichts des Körpers. 2. Keramischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er 90 oder mehr Gewichtsprozent Bariumtitanat enthält.i. Ceramic body with barium titanate as the predominant component, characterized in that it contains one of the following metal fluorides in the specified amount: fluorides of nickel, iron, sodium, lead or mixed fluoride of sodium and aluminum of the formula Na 3 AlF 6 in the amount of ο, ι to ι ο ° / o of the total weight of the body or fluorides of the metals of the second group of the Periodic Table in the amount of 0.1 to 0.48 0 A of the total weight of the body. 2. Ceramic body according to claim 1, characterized in that it contains 90 or more percent by weight of barium titanate. 3. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers nach den vorhergehenden An-3. Process for the production of a ceramic body according to the preceding Sprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Stoffe zusammen erhitzt werden, welche zum größeren Teil aus Bariumtitanat und einem Zusatz eines Fluorids eines Metalls der zweiten Gruppe des Periodischen Systems in der Menge von 0,1 bis 0,48 Gewichtsprozent vom Gesamtgewicht des Körpers bestehen.Proverbs, characterized in that substances are heated together, which to the greater Part of barium titanate and an addition of a fluoride of a metal of the second group of Periodic table in the amount of 0.1 to 0.48 percent by weight of the total weight of the Body exist. 4. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stoffe zusammen erhitzt werden, welche zum größeren Teil aus Bariumtitanat und einem Zusatz eines Fluorids von Nickel oder Eisen in der Menge von 0,1 bis 10% des Gesamtgewichts des Körpers bestehen.4. A method for producing a ceramic body according to claims 1 and 2, characterized in that substances are heated together, which for the most part from Barium titanate and an addition of a fluoride of nickel or iron in the amount of 0.1 to Composed of 10% of the total weight of the body. 5. Verfahren zur Herstellung eines keramisehen Körpers nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stoffe zusammen erhitzt werden, welche zum größeren Teil aus Bariumtitanat und einem Zusatz eines Fluorids von Natrium, Blei oder des gemischten Fluorids von Natrium und Aluminium von der Formel Na3AlF6 in Mengen von 0,1 bis 10% des Gesamtgewichts des Körpers bestehen. '5. A method for producing a ceramic body according to claims 1 and 2, characterized in that substances are heated together, the greater part of which consists of barium titanate and an addition of a fluoride of sodium, lead or the mixed fluoride of sodium and aluminum of the formula Na 3 AlF 6 consist in amounts of 0.1 to 10% of the total weight of the body. ' φ 2718 12.φ 2718 12.
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FR2506995A1 (en) * 1981-05-26 1982-12-03 Europ Composants Electron DIELECTRIC CERAMIC COMPOSITION BASED ON BARIUM TITANATE, LITHIUM OXIDE AND CADMIUM FLUORIDE, CAPACITOR USING SUCH COMPOSITION AND METHOD FOR MANUFACTURING SAID COMPOSITION

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