CN1397957A - 超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料及其制备方法 - Google Patents

超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于陶瓷材料制备技术的一种超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料及制备方法。该材料的主要成份为钛酸钡、金属粉、以氧化钴和氧化铌及稀土氧化物的二次添加剂。采用固相合成法及化学合成法制备钛酸钡,并与金属粉、二次添加剂混合,加压成型,烧结成为多层陶瓷电容器材料。制备工艺中无需加入助烧剂,可以显著降低合成及烧成温度。材料的室温介电常数可以控制在4000和42000之间,容温变化率≤±15%。烧结温度可控制在1280℃以下。是具有广泛应用前景的高性能的多层陶瓷电容器材料。

Description

超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电容器材料制备技术领域,特别涉及具有超高介电常数、温度稳定的一种超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料及其制备方法。
技术背景
多层陶瓷电容器是将电极材料与陶瓷坯体以多层交替并联叠合起来,并同时烧成一个整体。根据国际电子工业协会EIA标准。其电容值是指以25℃的电容值为基准,在温度从-55到+125℃的范围之内,容温变化率<±15%,介电损耗(DF)≤2.5%。多层陶瓷电容器按组成分为两大类:一类由含铅的铁电体组成,另一类以BaTiO3基的非铅系的铁电体组成。而后者由于对环境无污染,并且机械强度及可靠性优于前者,因此非铅系BaTiO3基具有广阔的应用前景。传统的非铅系多层陶瓷电容器材料的组成主要是以BaTiO3为基料,适当添加铌(Nb)、钽(Ta)、镁(Mg)、过渡元素钴(Co)、锰(Mn)等及其它元素为改性剂(二次添加剂),一般烧结温度高,均在1300℃以上。有些还加入氧化硅(SiO2)、氧化铋(Bi2O3)等烧结助剂来降低烧结温度。制备工艺一般是通过固相合成法。工艺步骤包括称料—混料—高温合成—粉碎—二次添加—筛分—成型—烧结等。该工艺存在组分分布不均匀,合成温度高,易受杂质污染,再现性差等缺点。而且烧结温度高,能耗高,不利于工艺控制。以钛酸钡基多层陶瓷电容器的陶瓷材料的室温介电常数没有超过5000。较为成熟的产品如:美国专利,U.S Pat.No5571767,(Wilson)威尔森发明的以BaTiO3为主料,加入氧化钕,以Bi2O3、TiO2及玻璃相PbO、Bi2O3、SiO2、TiO2、Al2O3为烧结助剂,在1100℃下,烧结制备的多层陶瓷电容器材料,介电常数最大为3200。美国材料研究分析实验室报导了低烧的BaTiO3基多层陶瓷电容器材料,其介电常数达4400,但烧结工艺复杂,需要严格控制,三次烧成,烧结温度~1110℃。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料及其制备方法,所述多层陶瓷电容器材料主要由钛酸钡、金属粉末及二次添加剂组成。所述多层电容器材料是以钛酸钡为主料,加入用于提高介电性能的金属粉,以及用于改善温度性能的二次添加剂,以摩尔比的配方为:
x([100-(a+b+c)]BaTiO3+a Nb2O5+b Co3O4+c Re2O3+d MnO2)+(1-x)Me,其中0.5≤x≤1.0,0.1≤a≤3.0,0.1≤b≤1.5,0.1≤c≤1.2,1.0≤a/b≤5.0,Me代表金属银(Ag)、钯(Pd)、银钯合金(Ag-Pd),Re代表钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、镝(Dy)、铒(Er)和镱(Yb),其中氧化锰(MnO2)适量加入或不加均可。
所述主料BaTiO3所占的摩尔数为50-99%;所述金属粉末所占的摩尔数为0-49%;为银、钯、银钯合金的1-3种,二次添加物的用量占材料总量的0.5-4mol%。其二次添加物包括氧化铌(Nb2O5)、三氧化二钴(Co2O3)、或四氧化三钴(Co3O4)及稀土氧化物氧化钇(Y2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化镨(Pr2O3)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化镱(Yb2O3)中的1-3种。
所述超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料的制备方法是:制备主料BaTiO3,再按配方x([100-(a+b+c)]BaTiO3+a Nb2O5+b Co3O4+c Re2O3+dMnO2)+(1-x)Me,配比混合后球磨、干燥、成型、烧结而成。
制备工艺步骤如下:
1.固相法合成BaTiO3材料:将初始原料TiO2,和BaCO3按化学计量比称量,以水为介质混合球磨24小时,达到其粒度小于1μm后,在70~120℃温度下,烘6小时,再在1200℃温度下、6小时内固相反应合成BaTiO3
2.并按配方比例加入金属粉末、二次添加剂混合,以水为介质球磨24-72小时;
3.在70~120℃温度下,干燥6小时成型;
4烧结在1150~1300℃的温度范围,烧结30~240分钟,自然冷却后即得多层陶瓷电容器材料。
所述钛酸钡BaTiO3是采用钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)、硝酸钡(Ba(NO3)2)、醋酸钡(Ba(CH3COO)2)以化学方法合成的。其合成工艺为:将三种原料按化学计量比配成溶液,溶液中Ti或Ba离子浓度在0.1~5M之间;以草酸为沉淀剂进行共沉淀,形成草酸氧钛钡白色沉淀物,沉淀反应温度10~80℃,反应时间为2~4小时;将沉淀物先用去离子水洗涤数次后,再用乙醇洗数次,在70~120℃下经10~24小时烘干;并在700~1100℃下煅烧,保温0.5~2小时后,获得超细粉体的材料BaTiO3;然后将二次添加剂、金属粉末与其均匀混合,以水为介质球磨24~72小时;在70~120℃下经10~24小时干燥后,加压成型、烧结,自然冷却即得超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料。
所述BaTiO3主料直接与金属粉末、添加剂混合均匀,以无水乙醇为介质球磨24-72小时;在50~70℃下,经10~24小时干燥后,加压成型,并在1150~1300℃下,经30~240分钟烧结,自然冷却即得超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料。
所述BaTiO3主料与金属氧化物或其它易分解为金属的盐、添加剂混合均匀,以无水乙醇为介质球磨24~72小时;在50~70℃下,经10~24小时干燥;在300~500℃下,预烧该种粉体,使其中的金属氧化物或金属盐分解出金属粉末,然后加压成型;在1150~1300℃下,经30~240分钟烧结,自然冷却即得多层陶瓷电容器材料。所述金属粉末为金属氧化物或其它易分解的金属盐为氧化银(Ag2O)、碳酸银(Ag2CO3)、硝酸银(AgNO3)。
本发明的有益效果是,使用本发明工艺无需加入任何助烧剂,就可以在≤1280℃的温度下烧结出性能优异的超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料,材料的室温介电常数可以控制在4400~42000之间,在-55℃~+125℃范围内的容温变化率<±15%,并且具有1012~1013Ω·CM的高绝缘电阻率,性能稳定,击穿电压大于5KV/mm,介质损耗小,机械强度大,可靠性高、均匀性好等特点。本发明制备工艺简便,利用材料自身的优势降低烧结温度,烧成范围宽,配方简单可调,烧结工艺易控。
附图说明
图1为对应于实施例1的样品介电常数随温度变化的特性曲线。
图2为对应于实施例1的样品电容温度变化率随温度变化的特性曲线。
图3为对应于实施例2的样品介电常数随温度变化的特性曲线。
图4为对应于实施例2的样品电容温度变化率随温度变化的特性曲线。
图5为对应于实施例3的样品介电常数随温度变化的特性曲线。
图6为对应于实施例3的样品电容温度变化率随温度变化的特性曲线。
图7为对应于实施例4的样品介电常数随温度变化的特性曲线。
图8为对应于实施例4的样品电容温度变化率随温度变化的特性曲线。
图9为对应于实施例5的样品介电常数随温度变化的特性曲线。
图10为对应于实施例5的样品电容温度变化率随温度变化的特性曲线。
具体实施方式
图1~图10所示为照本发明的制备方法所作的实施例1~5的各样品(表1-表5中所示)介电常数的温度特性曲线和电容随温度变化率的温度曲线。其测试温度为-60℃~130℃。表中ε为材料的介电常数;TCC:容温变化率;
tgδ(25℃):室温时介电损耗;
TCC(T)%=100×(ε(T)-ε(25℃))/ε(25℃)。
结合上面测试曲线图,例举下面实施例分别对本发明予以说明:
实施例1,以Nh、Co、Nd元素掺杂为例。固定添加剂Nb、Co用量为1.0mol%。Nb∶Co=2.5。钛酸钡BaTiO3主料采用化学合成方法制取,其初始原料钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)102.1g溶于乙醇,醋酸钡(Ba(CH3COO)2)为76.64g溶于水,草酸(H2C2O4·2H2O)为83.2g溶于乙醇。先将钛酸四丁酯乙醇溶液加入草酸乙醇溶液中,搅拌均匀,然后将醋酸钡水溶液缓慢加入,形成草酸氧钛钡的白色沉淀。沉淀物先以去离子水清洗数次,再用乙醇清洗数次后,经干燥,煅烧,获得白色的钛酸钡粉体材料。在钛酸钡粉体材料20g中分别按配方加入二次添加剂,配方中氧化铌和氧化钴的含量为1.0mol%,氧化钕的含量分别为0.3、0.5、0.7、0.8、0.9和1.0mol%,记为1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6。配料经球磨混合,干燥后,于2MPa压力下压制成型,直径为10mm,厚度为1mm。于1240℃烧结4h。升温速度为6℃/min。烧成的瓷片上下烧银后测量其介电性能。所获得的陶瓷样片的介电性能参数见表1。图1曲线给出的是样品的介电温度特性曲线。图2给出样品的容温变化率曲线。
实施例2:固定配方主料钛酸钡为98mol%,氧化铌和氧化钴的含量为1.0mol%,氧化钕为1.0mol%。钛酸钡采用实施例1的化学合成法制取。在钛酸钡粉体材料20g中分别按实施例1配方加入二次添加剂,配料经球磨混合,干燥后,于2MPa压力下压制成型,直径为10mm,厚度为1mm。分别于1200℃,1220℃,1240℃,1250℃,1260℃,1280℃烧结2h。升温速度为6℃/min。烧成的瓷片上下表面烧银后测量其介电性能。所获得的陶瓷样片的介电性能参数见表2。图3曲线给出的是样品的介电温度特性曲线。图4给出样品的容温变化率曲线。
实施例3:使用称量三组20g钛酸钡,按照实施例1配方加入二次添加剂,然后分别加入0.2g、1.0g、2.0g金属银粉,记为3-、3-2、3-3,配料经酒精球磨混合,干燥后,于2MPa压力下成型后,在1240℃烧结,保温时间为2小时。所获得的陶瓷样品烧银后测试其介电性能。表3列出1240℃烧结下,不同金属Ag粉添加量陶瓷样品的介电性能参数。图5和图6分别为样品的介电温度特性曲线和容温变化率曲线。
实施例4:使用实施例2制备的纯钛酸钡粉体,称量三组20g钛酸钡,按照实施例1配方加入二次添加剂,然后分别加入4.72g、6.30g、7.24g硝酸银(AgNO3),记为4-1、4-2、4-3,配料经酒精球磨混合,干燥后,在350℃下进行热处理,保温时间为2小时。预处理后硝酸银分解为金属银单质。然后将该粉在2MPa压力下成型后,在1250℃烧结,保温时间为2小时。所获得的陶瓷样品烧银后测试其介电性能。表4列出1250℃烧结下,不同硝酸银添加量陶瓷样品的介电性能参数。图7和图8分别为样品的介电温度特性曲线和容温变化率曲线。
实施例5:对本发明实施例二制备的纯钛酸钡粉体,称量三组20g钛酸钡,按照配方加入二次添加剂,然后分别加入6.39g、7.16g、7.67g碳酸银(Ag2CO3),记为5-1、5-2、5-3,配料经酒精球磨混合,干燥后,在300℃下进行热处理,保温时间为2小时。预处理后碳酸银分解为金属银单质。然后将该粉在2MPa压力下成型后,在1240℃烧结,保温时间为2小时。所获得的陶瓷样品烧银后测试其介电性能。表5列出1240℃烧结下,不同碳酸银添加量陶瓷样品的介电性能参数。图9和图10分别为样品的介电温度特性曲线和容温变化率曲线。
另外,陶瓷材料的绝缘电阻和击穿电压测试结果见表6。
上述实验结果说明,通过配方、工艺以及金属添加量的调整,在1200~1250℃,不加烧结助剂的条件下,可以获得超高介电常数(高达42000)温度稳定型的钛酸钡基多层陶瓷电容器材料。
样品的室温介电常数可以控制在4000到42000之间,容温变化率小于±15%,介电损耗小于2.5%。绝缘电阻率为1012~1013Ω·CM,击穿电压大于5KV/mm。利用本发明的配方和工艺,特别是化学法制备工艺,可获得烧结温度低,性能可调,烧结温度范围宽,稳定性和再现性良好的钛酸钡基的多层陶瓷电容器材料。而且材料的晶粒均匀,粒径小于1微米,机械强度好,可靠性高,耐击穿特性强,可以应用于大容量多层陶瓷电容器,是一种具有广泛应用前景的超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料。
表1
SAMPLE CONDITION     E     TCC(%)     E(25℃)     E     TCC(%)     TGδ(25℃)(%)
          -55℃            125℃
    1-1  1240℃/4h     2981     -13.9     3462     4213     21.7     2.76
    1-2  1240℃/4h     4053     -2.33     4150     4601     10.9     1.31
    1-3  1240℃/4h     4488     2.61     4374     4366     -0.18     1.50
    1-4  1240℃/4h     4356     2.93     4232     3946     -6.75     1.55
    1-5  1240℃/4h     4290     0.92     4251     4186     -1.53     1.38
    1-6  1240℃/4h     4273     2.10     4185     3783     -9.60     1.32
表2
SAMPLE CONDITION     E   TCC(%)     E(25℃)     E  TCC(%)     TGΔ(25℃)(%)
         -55℃            125℃
  2-1  1200℃/2h     2557     -11.8     2901     3226     11.2     6.18
  2-2  1220℃/2h     3147     -7.69     3409     3843     12.7     1.91
  2-3  1240℃/2h     3677     -0.59     3799     4080     7.4     1.86
  2-4  1250℃/2h     3908     0.51     3850     4273     10.2     1.70
  2-5  1260℃/2h     4571     2.21     4472     4306     -3.7     1.68
  2-6  1280℃/2h     4470     -2.57     4588     4262     -7.1     1.45
表3
SAMPLE CONDITION     E     TCC(%)     E(25℃)     E   TCC(%)     TGΔ(25℃)(%)
             -55℃              125℃
  3-1   1240℃/2h     4154     -5.65     4403     4649   5.58     0.84
  3-2   1240℃/2h     4750     -7.52     5136     5222   1.67     0.869
  3-3   1240℃/2h     5825     -10.40     6501     6286   3.30     1.21
表4
SAMPLE CONDITION     E     TCC(%)     E(25℃)     E   TCC(%)     TGΔ(25℃)(%)
              -55℃             125℃
  4-1   1250℃/2h     7202   -12.53     8234   7694   -6.56     1.48
  4-2   1250℃/2h     10140   -14.50     11860   10760   -9.27     2.06
  4-3   1250℃/2h     16590   -15.62     19710   17540   -11.01     1.97
表5
SAMPLE CONDITION     E   TCC(%)     E(25℃)     E   TCC(%)     TGΔ(25℃)(%)
            -55℃              125℃
  5-1   1240℃/2h     15630   -15.65     18530   16420   -11.38     1.91
  5-2   1240℃/2h     29160   -15.72     34600   29730   -14.07     2.28
  5-3   1240℃/2h     35800   -14.25     41750   35630   -14.65     2.21
表6
Sample Sintering Condition     ρ(×1012Ω·cm)     Breaking Down Voltage(Kv/mm)
  1-3     1240℃-4h     14.5     11.6
  1-4     1240℃-4h     20.3     11.0
  4-2     1240℃-2h     12.7     5.8

Claims (7)

1.一种超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料,主要由钛酸钡、金属粉末及二次添加剂组成,其特征在于:所述多层电容器材料是以钛酸钡为主料,加入用于提高介电性能的金属粉,以及用于改善温度性能的二次添加剂,以摩尔比的配方为:
x([100-(a+b+c)]BaTiO3+a Nb2O5+b Co3O4+c Re2O3+d MnO2)+(1-x)Me,其中0.5≤x≤1.0,0.1≤a≤3.0,0.1≤b≤1.5,0.1≤c≤1.2,1.0≤a/b≤5.0,Me代表金属银(Ag)、钯(Pd)、银钯合金(Ag-Pd),Re代表钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、镝(Dy)、铒(Er)和镱(Yb),其中氧化锰(MnO2)适量加入或不加均可。
2.根据权利要求1所述超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料,其特征在于:所述主料BaTiO3所占的摩尔数为50-99%;所述金属粉末所占的摩尔数为0-49%,其包括银、钯、银钯合金的1-3种;二次添加剂的用量占材料总量的0.5-4mol%,其二次添加剂包括氧化铌(Nb2O5)、三氧化二钴(Co2O3)、或四氧化三钴(Co3O4)及稀土氧化物氧化钇(Y2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化镨(Pr2O3)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化镱(Yb2O3)中的1-3种。
3.一种制备权利要求1所述超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料的制备方法,其特征在于:所述多层陶瓷电容器材料的制备方法是,先制备主料BaTiO3,再按配方x([100-(a+b+c)]BaTiO3+a Nb2O5+b Co3O4+c Re2O3+d MnO2)+(1-x)Me配比混合后球磨、干燥、成型烧结而成,其制备工艺步骤如下:
1).固相法合成BaTiO3,将初始原料TiO2,和BaCO3按化学计量比称量,以水为介质混合球磨24小时,达到其粒度小于1μm,后在70~120℃温度下,烘6小时,再在1200℃温度下、6小时内固相反应合成BaTiO3
2).按配方比例加入金属粉末、二次添加剂混合,以水为介质球磨24-72小时;
3).在70~120℃温度下,干燥6小时成型;
4).烧结在1150~1300℃温度范围内,烧结30~240分钟,自然冷却后即得多层陶瓷电容器材料。
4.一种制备权利要求1所述超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料的制备方法,其特征在于:所述钛酸钡BaTiO3是采用钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)、硝酸钡(Ba(NO3)2)、醋酸钡(Ba(CH3COO)2)以化学方法合成的;其合成工艺为:将三种原料按化学计量比配成溶液,使溶液中Ti或Ba离子浓度在0.1~5M之间;加入沉淀剂草酸进行共沉淀,形成草酸氧钛钡白色沉淀物,沉淀反应温度10~80℃,反应时间为2~4小时;将沉淀物先用去离子水洗涤数次后,再用乙醇洗数次,在70~120℃下经10~24小时烘干;并在700~1100℃下煅烧,保温0.5~2小时后,即获得超细粉体的材料BaTiO3;然后将二次添加剂、金属粉末按配方与其均匀混合,以水为介质球磨24~72小时;在70~120℃下经10~24小时干燥后,加压成型,烧结成为多层陶瓷电容器材料。
5.一种制备权利要求1所述超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料的制备方法,其特征在于:所述BaTiO3主料直接与金属粉末、二次添加剂混合均匀,以无水乙醇为介质球磨24-72小时后,在50~70℃下,经10~24小时干燥后,加压成型、烧结成为多层陶瓷电容器材料。
6.一种制备权利要求1所述超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料的制备方法,其特征在于:所述BaTiO3主料与金属氧化物或其它易分解的金属盐、二次添加剂混合均匀,以无水乙醇为介质球磨24~72小时,在50~70℃下,经10~24小时干燥,并在300~500℃下,预烧该种粉体,使其中的金属氧化物或金属盐分解出金属粉末,然后加压成型、烧结成为多层陶瓷电容器材料。
7.根据权利要求6所述超高介电常数、温度稳定型多层陶瓷电容器材料的制备方法,其特征在于:所述金属氧化物或其它易分解的金属盐为氧化银(Ag2O)、碳酸银(Ag2CO3)、硝酸银(AgNO3)。
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