一种低损耗高压陶瓷电容器介质

摘要

一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征在于由下述重量百分比的原料制成：BaTiO358-91％，SrTiO31-3％，BaZrO34-20％，CaZrO33-12％，CeO20.03-1.0％，ZnO 0.1-1.5％，Bi2TiO50.5-4.5％。本发明的低损耗高压陶瓷电容器介质耐电压高，介质损耗小，在制备和使用过程中对环境无污染，并且能降低陶瓷电容器的成本，适合于制备单片陶瓷电容器和多层片式陶瓷电容器。

权利要求

1.一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征在于由下述重量百分比的原料制成：BaTiO358-91％，SrTiO31-3％，BaZrO34-20％，CaZrO33-12 ％，CeO20.03-1.0 ％，ZnO

0.1-1.5％，Bi2TiO50.5-4.5％；

所述低损耗高压陶瓷电容器介质的制备方法依次包括下述步骤：

(1)按比例配备BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5；

(2)将步骤(1)所配备的BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5粉碎并混合均匀，得到混合料；

(3)对步骤(2)得到的混合料进行烘干；

(4)向经步骤(3)烘干的混合料中加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料；

(5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

(6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1250-1280℃的环境下，保温1-4小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到低损耗高压陶瓷电容器介质。

2.根据权利要求1所述的低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征是：所述低损耗高压陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO366.2-85％，SrTiO31-3％，BaZrO35-15％，CaZrO35-10％，CeO20.3-0.6％，ZnO 0.3-0.7％，Bi2TiO51.5-4.5％。

3.根据权利要求1所述的低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征是：所述低损耗高压陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO373-88％，SrTiO31-3％，BaZrO34-14％，CaZrO34-9％，CeO20.3-0.6％，ZnO 0.3-0.7％，Bi2TiO51.5-4.5％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征是：所述BaTiO3采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO3和TiO2，然后对BaCO3和TiO2进行研磨并混合均匀，再将BaCO3和TiO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到BaTiO3。

5.根据权利要求1-3任一项所述的低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征是：所述SrTiO3采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备SrCO3和TiO2，然后对SrCO3和TiO2进行研磨并混合均匀，再将SrCO3和TiO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到SrTiO3。

6.根据权利要求1-3任一项所述的低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征是：所述BaZrO3采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO3和ZrO2，然后对BaCO3和ZrO2进行研磨并混合均匀，再将BaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1270℃下保温120分钟，得到BaZrO3。

7.根据权利要求1-3任一项所述的低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征是：所述CaZrO3采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备CaCO3和ZrO2，然后对CaCO3和ZrO2进行研磨并混合均匀，再将CaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1270℃下保温120分钟，得到CaZrO3。

8.根据权利要求1-3任一项所述的低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征是：所述Bi2TiO5采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备Bi2O3和TiO2，然后对Bi2O3和TiO2进行研磨并混合均匀，再将Bi2O3和TiO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于950℃下保温120分钟，得到Bi2TiO5。

说明书

一种低损耗高压陶瓷电容器介质

技术领域

[0001] 本发明涉及电容器的电介质，具体地说，涉及一种低损耗高压陶瓷电容器介质。

背景技术

[0002] 彩电、计算机、通迅、航空航天、导弹、航海等领域迫切需要高性能(如击穿电压高、温度稳定性好、可靠性高、小型化、容量大)的陶瓷电容器。为了获得高性能的陶瓷电容器，要求陶瓷电容器的电介质具有损耗低、耐电压高等特性；同时，随着人们对身体健康及环境保护的日益重视，要求陶瓷电容器的电介质在制备、使用及废弃的过程中不会对人体和环境造成危害，因而要求陶瓷电容器的电介质不含铅、镉等金属元素。

[0003] 目前，通常用于生产高压陶瓷电容器的电介质中含有一定量的铅，这不仅在陶瓷电容器的生产、使用和废弃过程中对人体和环境造成危害，而且对陶瓷电容器的性能稳定性也有不良影响。例如，中国期刊《江苏陶瓷》1999年第2期在“BaTiO3系低温烧成高介X7R电容器瓷料”一文中公开了一种BaTiO3中低温烧成高介满足X7R特性的电容器瓷料介质，该介质所含的低熔点玻璃料是硼硅酸铅低熔点玻璃，介质是含铅的，并且未涉及耐电压，介质损耗较高。又如，中国期刊《南京化工大学学报》1999年第4期在“SrTiO3基高压陶瓷电容器材料的组成与性能”一文中公开了一种低损耗高耐压的电容器陶瓷介质，但该介质含有18mol％左右的钛酸铅，在制备和使用过程中会对环境和人体有污染。又如，中国发明专利申请公开说明书CN1212443A(发明名称为“高介高性能中温烧结片式多层瓷介电容器瓷料”，专利申请号为97117286.2)，所公开的陶瓷电容器瓷料虽然介电常数高(介电常数≥16000)，但耐电压较差(耐电压为700V/mm)，另外其组分含有一定量的铅。还有，中国发明专利申请公开说明书CN1212444A(发明名称为“高性能中温烧结片式多层瓷介电容器瓷料”，专利申请号为97117287.0)，所公开的电容器瓷料介电常数太小(介电常数为3000)，介质损耗较高，且耐电压较低(耐电压为860V/mm)，另外其组分含有一定量的铅。

[0004] 有些陶瓷电容器的电介质虽然不含铅，在陶瓷电容器的生产、使用和废弃过程中对人体和环境的危害较小，但是其介电常数太小，且/或耐电压较低。例如，中国期刊《电子元件与材料》1989年第5期在“高介高压2B4介质陶瓷”一文中公开了一种高压陶瓷电容器介质材料，这种介质材料不含铅，但介电常数太小(介电常数ε＝2500-2600)，tgδ＝0.5-1.4％，耐压性较差(直流耐压强度为7KV/mm)，且介质损耗较高。又如，中国发明专利申请公开说明书CN1619726A(发明名称为“一种中低温烧结高压陶瓷电容器介质”，专利申请号为200410041863.x)，所公开的陶瓷电容器介质各组分的重量百分比含量为：BaTiO360-90％、SrTiO31-20％、CaZrO30.1-10％、Nb2O50.01-1％、MgO 0.01-1％、CeO20.01-0.8％、ZnO 0.01-0.6％、Co2O30.03-1％、铋锂固溶体0.05-10％，其介电常数为2000-3000，耐电压为6kV/mm以上，介电常数和耐电压性仍不够理想，且介质损耗较高。

[0005] 综上所述，现有的各种用于陶瓷电容器的电介质无法同时满足低损耗、高耐电压及环保等方面的要求。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种低损耗高压陶瓷电容器介质，这种陶瓷电容器介质损耗低，耐电压高，并且在制备及使用过程中对环境无污染。

[0007] 采用的技术方案如下：

[0008] 一种低损耗高压陶瓷电容器介质，其特征在于由下述重量百分比的原料制成：BaTiO358-91％，SrTiO31-3％，BaZrO34-20％，CaZrO33-12 ％，CeO20.03-1.0 ％，ZnO0.1-1.5％，Bi2TiO50.5-4.5％。

[0009] 在一种具体方案中，优选上述低损耗高压陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO366.2-85％，SrTiO31-3％，BaZrO35-15％，CaZrO35-10％，CeO20.3-0.6％，ZnO0.3-0.7％，Bi2TiO51.5-4.5％。

[0010] 在另一种具体方案中，优选上述低损耗高压陶瓷电容器介质由下述重量百分比的原料制成：BaTiO373-88％，SrTiO31-3％，BaZrO34-14％，CaZrO34-9％，CeO20.3-0.6％，ZnO0.3-0.7％，Bi2TiO51.5-4.5％。

[0011] 优选上述BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、Bi2TiO5分别采用常规的化学原料以固相法合成。例如：

[0012] 上述BaTiO3(钛酸钡)可采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO3和TiO2，然后对BaCO3和TiO2进行研磨并混合均匀，再将BaCO3和TiO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到BaTiO3。得到的BaTiO3经研磨并过200目筛，备用。

[0013] 上述SrTiO3(钛酸锶)可采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备SrCO3和TiO2，然后对SrCO3和TiO2进行研磨并混合均匀，再将SrCO3和TiO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到SrTiO3。得到的SrTiO3经研磨并过200目筛，备用。

[0014] 上述BaZrO3(锆酸钡)可采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO3和ZrO2，然后对BaCO3和ZrO2进行研磨并混合均匀，再将BaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1270℃下保温120分钟，得到BaZrO3。得到的BaZrO3经研磨并过200目筛，备用。

[0015] 上述CaZrO3(锆酸钙)可采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备CaCO3和ZrO2，然后对CaCO3和ZrO2进行研磨并混合均匀，再将CaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1270℃下保温120分钟，得到CaZrO3。得到的CaZrO3经研磨并过200目筛，备用。

[0016] 上述Bi2TiO5(钛酸铋)可采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备Bi2O3和TiO2，然后对Bi2O3和TiO2进行研磨并混合均匀，再将Bi2O3和TiO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于950℃下保温120分钟，得到Bi2TiO5。得到的Bi2TiO5经研磨并过200目筛，备用。

[0017] 上述各种原料中：BaTiO3的作用是形成主晶相；SrTiO3和BaZrO3作为移峰剂，适量的SrTiO3和BaZrO3能够将陶瓷电容器介质的居里温度移至室温附近，提高陶瓷电容器介质的介电常数等；CaZrO3作为移峰剂和压峰剂，适量的CaZrO3能够提高陶瓷电容器介质的介电常数并改善陶瓷电容器介质的介温特性；适量的CeO2(二氧化铈)能提高陶瓷电容器介质的介电常数并降低介质损耗，改善陶瓷电容器介质的介温特性；适量的ZnO(氧化锌)能够细化晶粒，降低陶瓷电容器介质的介质损耗，提高耐压；适量的Bi2TiO5能够降低陶瓷电容器介质的介质损耗，提高耐压，降低陶瓷电容器介质的烧结温度。

[0018] 下面简述上述低损耗高压陶瓷电容器介质的一种制备方法，依次包括下述步骤：

[0019] (1)按比例配备BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5；

[0020] (2)将步骤(1)所配备的BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5粉碎并混合均匀，得到混合料；

[0021] 可以将上述各种原料混合后，再进行粉碎；随后，边粉碎边混合，或完成粉碎后再使各种原料混合均匀。粉碎设备可采用球磨机，也可以采用其它粉碎设备；

[0022] 优选将上述各种原料混合后，采用行星球磨机进行球磨混合，被球磨的原料、所用水、所用球的重量比例为：原料∶球∶水＝1∶3∶(0.6-1)，球磨过程持续4-8小时；球磨所用的水优选为蒸馏水或去离子水；

[0023] (3)对步骤(2)得到的混合料进行烘干；烘干的目的是去除混合料中的水分；优选烘干温度为110℃，烘干时间为12小时；

[0024] (4)向经步骤(3)烘干的混合料中加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料；

[0025] 上述粘合剂可采用聚乙烯醇水溶液；优选粘合剂采用浓度为10％(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤(3)烘干的混合料的重量的8-10％；

[0026] (5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

[0027] 可采用干压成型技术将颗粒状物料压制成生坯片；优选在20-30Mpa的压力下对颗粒状物料进行干压成型，得到生坯片；干压成型的工作温度通常为室温；

[0028] (6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1250-1280℃的环境下，保温1-4小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到低损耗高压陶瓷电容器介质。得到的低损耗高压陶瓷电容器介质可用于制作陶瓷电容器。

[0029] 将上述陶瓷电容器的电介质置于温度为780-870℃环境下，保温15分钟进行烧银，形成银电极，再焊接引线并进行包封，即得陶瓷电容器。

[0030] 本发明的低损耗高压陶瓷电容器介质具有如下优点：不含铅和镉，在使用过程中对环境无污染；耐电压高(直流耐电压可达12kV/mm以上)，电容温度变化率小(符合Y5V特性的要求)，而且介质损耗小(介质损耗小于0.2％)，因而陶瓷电容器在使用过程中性能稳定性好，安全性高，能扩大陶瓷电容器的应用范围。本发明的低损耗高压陶瓷电容器介质在制备过程中，烧结温度较低(采用中温烧结，烧结温度为1250-1280℃)，大大降低高压陶瓷电容器的成本；并且利用不含铅和镉的电容器陶瓷普通化学原料制备陶瓷电容器的电介质，在制备过程中对环境无污染。总而言之，本发明的低损耗高压陶瓷电容器介质耐电压高，介质损耗小，在制备和使用过程中对环境无污染，并且能降低陶瓷电容器的成本，适合于制备单片陶瓷电容器和多层片式陶瓷电容器。

具体实施方式

[0031] 实施例1

[0032] 首先，以固相法合成BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、Bi2TiO5。

[0033] BaTiO3(钛酸钡)采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO3和TiO2，然后对BaCO3和TiO2进行研磨并混合均匀，再将BaCO3和TiO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到BaTiO3。得到的BaTiO3经研磨并过200目筛，备用。

[0034] SrTiO3(钛酸锶)采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备SrCO3和TiO2，然后对SrCO3和TiO2进行研磨并混合均匀，再将SrCO3和TiO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1260℃下保温120分钟，得到SrTiO3。得到的SrTiO3经研磨并过200目筛，备用。

[0035] BaZrO3(锆酸钡)采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备BaCO3和ZrO2，然后对BaCO3和ZrO2进行研磨并混合均匀，再将BaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1270℃下保温120分钟，得到BaZrO3。得到的BaZrO3经研磨并过200目筛，备用。

[0036] CaZrO3(锆酸钙)采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备CaCO3和ZrO2，然后对CaCO3和ZrO2进行研磨并混合均匀，再将CaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于1270℃下保温120分钟，得到CaZrO3。得到的CaZrO3经研磨并过200目筛，备用。

[0037] Bi2TiO5(钛酸铋)采用如下工艺制备：按1∶1的摩尔比配备Bi2O3和TiO2，然后对Bi2O3和TiO2进行研磨并混合均匀，再将Bi2O3和TiO2的混合物料放入氧化铝坩埚内，于950℃下保温120分钟，得到Bi2TiO5。得到的Bi2TiO5经研磨并过200目筛，备用。

[0038] 然后，依次按下述步骤制备低损耗高压陶瓷电容器介质：

[0039] (1)按比例配备BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5；

[0040] 参照表1，配备的各种原料的重量百分比如下：BaTiO381％、SrTiO31.5％、BaZrO38.2％、CaZrO36.5％、CeO20.4％、ZnO 0.4％和Bi2TiO52.0％；

[0041] (2)将步骤(1)所配备的BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5粉碎并混合均匀，得到混合料；

[0042] 本实施例中，将上述各种原料混合后，采用行星球磨机进行球磨混合，被球磨的原料、所用水、所用球的重量比例为：原料∶球∶水＝1∶3∶0.8，球磨过程持续6小时；球磨所用的水为蒸馏水或去离子水；

[0043] (3)对步骤(2)得到的混合料进行烘干，去除混合料中的水分；

[0044] 本实施例中，烘干温度为110℃，烘干时间为12小时；

[0045] (4)向经步骤(3)烘干的混合料中加入粘合剂并进行造粒，得到颗粒状物料；

[0046] 粘合剂采用浓度为10％(重量)的聚乙烯醇水溶液，所加入的聚乙烯醇水溶液的重量为经步骤(3)烘干的混合料的重量的10％；

[0047] (5)将步骤(4)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

[0048] 本实施例在25Mpa的压力下对颗粒状物料进行干压成型，得到生坯片；

[0049] (6)将步骤(5)得到的生坯片置于温度为1260℃的环境下，保温3小时，使生坯片排出粘合剂并烧结，得到低损耗高压陶瓷电容器介质。

[0050] 实施例2-9

[0051] 实施例2-9中，各种原料的用量如表1所示。利用上述原料制备低损耗高压陶瓷电容器介质的方法可参考实施例1，各步骤中的温度、时间、压力等工艺条件可根据实际情况进行调整。

[0052] 上述实施例1-9制得的陶瓷电容器的电介质的性能参数如表2所示。

[0053] 表1本发明各实施例的原料配比