一种片式多层陶瓷电容电介质瓷浆及电介质制备方法

摘要

本发明公开了一种片式多层陶瓷电容电介质瓷浆及电介质制备方法，属于陶瓷电介质材料领域。本发明中瓷浆主要成分为钛酸钡，还包括一助烧剂，助烧剂包括水玻璃和二氧化硅；其中，水玻璃占钛酸钡的质量比为1％～10％，二氧化硅占钛酸钡的质量比为0.8％～1.2％。电介质制备方法为：1)选取设定量的主成分钛酸钡，以及助烧剂、稀释剂、分散剂、粘结剂A，放入球磨机进行球磨；2)球磨设定时间，然后向球磨后的浆料中添加设定量的粘结剂B，继续进行球磨；3)球磨设定时间后，将所得浆料进行涂板烧结，得到电介质材料。本发明从各方面大大减少了耗能，用此方法生产MLCC电容器，可得到生产成本极低、蓄能较好的电容器。

权利要求

1.一种片式多层陶瓷电容电介质制备方法，其步骤为：

1）选取设定量的主成分钛酸钡，以及助烧剂、稀释剂、分散剂、粘结剂A，放入球磨机进行球磨；其中，所述助烧剂包括九水偏硅酸钠和二氧化硅；

2）球磨设定时间，然后向球磨后的浆料中添加设定量的粘结剂B，继续进行球磨；

3）球磨设定时间后，将所得浆料进行涂板烧结，得到电介质材料；

其中，粘结剂A的主要成分为聚氨酯丙烯酸酯；粘结剂B主要成分为：二元胺、咪唑类化合物、硅烷偶联剂，所述烧结的温度为100°C，所述九水偏硅酸钠占钛酸钡的质量比为

3%～4%，所述钛酸钡占电介质浆料的质量比为92%～97%，二氧化硅占钛酸钡的质量比为

1%。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述烧结时的环境湿度范围为40%～60%。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2）设定时间为2小时，步骤3）球磨时间为1小时；采用多次烧结方式进行所述烧结，所述烧结总时间为1.5小时。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于粘结剂A与粘结剂B的比例为5:1。

说明书

一种片式多层陶瓷电容电介质瓷浆及电介质制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于陶瓷电介质材料的新工艺，涉及一种片式多层陶瓷电容电介质瓷浆及电介质制备方法，所制备电介质材料可以应用于法拉第原理的电容器中的绝缘层，如MLCC中的电介质层。

背景技术

[0002] 介电性能是判断物质蓄能能力的一个重要指标，钛酸钡因具有较高的介电能力，因此是国内外研究、制作超级电容的一个重要基础，而提高以钛酸钡为主要成分绝缘层的性能也是一个研究热点，包括提高绝缘层的介电常数，降低介电损耗，提高耐压能力等。目前国内外超级电容产品即片式多层陶瓷电容的制作主要包括陶瓷介质薄膜成型、内电极制作、电容芯片制作、烧结成瓷、外电极制作、性能测试、包装发货等工序。其工艺制作流程如图1所示。

[0003] 在制作中，其瓷浆组分的选择和烧结成瓷是最重要的工艺过程。在配制陶瓷浆料时，需加入众多的添加剂，如黏合剂、分散剂等，有时也需要对陶瓷粉进行改性。现在的主流方法，在烧结成瓷时，需要在300度排胶两小时，之后在1300度左右高温烧结4小时。高温大大增加了对金属电极的要求，并且为防止金属电极氧化，需要保护气气氛烧结。这在多个方面增加了成本和对工艺的要求，使其生产过程较复杂。主流的方法造成耗能较大，这不但不符合低碳的要求并且生产成本高，同时对电极和生产设备要求高(抗高温)。其烧结原理是：在一定温度下(一般在1300℃以上)对钛酸钡进行烧结，使颗粒重排、晶界滑移，引起流动传质，物质通过扩散，填充到颗粒点接触的颈部和气孔，使颈部长大，气孔减小，并最终使坯体致密化。

[0004] 如何实现在降低烧结温度的情况下保持或提高电介质材料性能，进而降低生产成本，生产性价比较高的超级电容是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种片式多层陶瓷电容电介质瓷浆及电介质制备方法；本发明通过添加一定配方的助烧剂，即添加质量分数3～4％的九水偏硅酸钠俗称水玻璃和0.8-1.2％的二氧化硅的复合助烧剂能使BTO陶瓷的烧结温度从1300℃降至100℃，并且略去了排胶的过程，其中助烧剂的占比为占钛酸钡的质量比。随着水玻璃添加量的增加，介电常数先增大后减小，介质损耗先下降后趋于稳定，频率温度系数减小。添加3％的水玻璃和1％的二氧化硅使BTO陶瓷在100℃烧结1.5h，获得了最佳介电性能：εr＝2351。根据本配方可以在大大降低烧结温度(从主流的1300度到本配方的100度)和时间(从主流的7h到本配方的1.5h)的条件下，得到介电常数可达εr＝2851的介电质层，约为主流(εr＝8000-10000)的1/3的介电质材料，本发明从各方面大大减少了耗能，用此方法生产MLCC电容器，可得到生产成本极低，蓄能较好的电容器。

[0006] 本发明的技术方案为：

[0007] 一种片式多层陶瓷电容电介质瓷浆，主要成分为钛酸钡，其特征在于还包括一助烧剂，所述助烧剂包括水玻璃和二氧化硅；其中，所述水玻璃占钛酸钡的质量比为1％～10％，二氧化硅占钛酸钡的质量比为0.8％～1.2％。

[0008] 进一步的，所述钛酸钡占电介质浆料的质量比为92％～97％，所述水玻璃占钛酸钡的质量比为3％～4％，二氧化硅占钛酸钡的质量比为1％。

[0009] 一种片式多层陶瓷电容电介质制备方法，其步骤为：

[0010] 1)选取设定量的主成分钛酸钡，以及助烧剂、稀释剂、分散剂、粘结剂A，放入球磨机进行球磨；其中，所述助烧剂包括水玻璃和二氧化硅，所述水玻璃占钛酸钡的质量比为1％～10％，二氧化硅占钛酸钡的质量比为0.8％～1.2％；

[0011] 2)球磨设定时间，然后向球磨后的浆料中添加设定量的粘结剂B，继续进行球磨；

[0012] 3)球磨设定时间后，将所得浆料进行涂板烧结，得到电介质材料。

[0013] 进一步的，所述钛酸钡占电介质浆料的质量比为92％～97％，所述水玻璃占钛酸钡的质量比为3％～4％，二氧化硅占钛酸钡的质量比为1％。

[0014] 进一步的，所述烧结的温度范围为100°～600°。

[0015] 进一步的，所述烧结的温度为100°。

[0016] 进一步的，所述烧结时的环境湿度范围为40％～60％。

[0017] 进一步的，步骤2)设定时间为2小时，步骤3)球磨时间为1小时；采用多次烧结方式进行所述烧结，所述烧结总时间为1.5小时。

[0018] 进一步的，粘结剂A的主要成分为聚氨酯丙烯酸酯；粘结剂B主要成分为：二元胺、咪唑类化合物、硅烷偶联剂。

[0019] 进一步的，粘结剂A与粘结剂B的比例为5∶1。

[0020] 如图2所示，本发明提供了一种制作片式多层陶瓷电容器电介质材料的方法。与高温烧结不同，本方案的原理是：由于低温烧结并不能增加钛酸钡颗粒致密性，故本方案是添加一定比例的助烧剂，改变钛酸钡颗粒外部环境，在颗粒周围形成能够小范围移动的自由带电离子，在外电场作用下，这些活跃的离子能够增加钛酸钡颗粒的极化程度，并使得极化方向一致，从而增加钛酸钡颗粒的介电能力。

[0021] 助烧剂的主要成分是偏硅酸钠九水(即水玻璃)添加二氧化硅。水玻璃熔点为40-48℃，在100℃的温度下烧结可以使其均匀的混合在钛酸钡压片中，并且烧结后具有较高的硬度，在空气中，空气中的水蒸气进入颗粒之间的孔隙，水玻璃溶于水中形成离子状态，使得其介电性增加。该方法制得的材料随环境湿度变化显著，湿度增加，使得进入压片颗粒孔隙中的水分含量增加，形成的离子对材料影响更显著。

[0022] 与现有技术相比，本发明的积极效果为：

[0023] 常规方法采用的高温烧结工艺较复杂，并且对电极材料要求较高，一般电极无法耐受高温，本发明采用的低温方法工艺简单，对电极要求低，采用铝作为金属内电极即可以达到要求，大大降低了生产成本。目前，本领域内常说的低温烧结也只是1000℃以下即为低温，相对于常规的烧结1300℃以上的烧结温度，而我们的方法可把烧结的温度降低到100℃，远远低于其他的各种方法，通过该方法制作的电介质材料配方经过100℃烧结1.5h后室温下在相对湿度为50％下的得到最大介电常数能达到2851，耐压5000v以上。

附图说明

[0024] 图1为现有超级电容的制作流程图；

[0025] 图2为本发明的电容器电介质材料制作方法流程图；

[0026] 图3为不同助烧剂实验对比图；

[0027] 图4为介电常数与湿度关系曲线图。

具体实施方式

[0028] 本发明是以钛酸钡(粒径为500nm)为主要成分(占浆料质量的比例为92-97％)，加入适量稀释剂，分散剂，消泡剂，粘结剂A，一定量的助烧剂，放置于球磨机中球磨2h，取出后再加入粘结剂B，继续球磨1h，然后将所得浆料均匀的涂抹在铝板上，在室温下稍干后置于电阻炉中烧结，烧结完成后取出铝板检测；其中，粘结剂主要作用是在涂板的时候使浆料能够粘在铝板上，粘结剂A是聚氨酯丙烯酸酯为主要成分，B主要由二元胺、咪唑类化合物、硅烷偶联剂组成，A与B的比例大约为5∶1，A、B同时加入会使浆料短时间内迅速固化，使浆料无法充分研磨。

[0029] (一)不同烧结温度对介电性能影响

[0030] 按照上述方法制得3块涂有介质层薄膜的铝板，分别置于100℃、400℃、600℃电阻炉中烧结1.5h，取出后分别检测介电性能，得到表1。

[0031] 表1 烧结温度对介电性能的影响(3％：水玻璃占钛酸钡的质量比)[0032]

[0033] 在100℃烧结时，材料仍然具有较高的介电性能。

[0034] (二)不同烧结时间对介电性能影响

[0035] 按照上述方法制得2块铝板，置于600℃电阻炉中分别烧结1.5h、0.5h，取出后分别检测介电性能，得到表2。

[0036] 表2 烧结时间对介电性能的影响

[0037]

[0038] 烧结时间对介电常数影响不太大，烧结时间延长，材料的介电性能略好。

[0039] (三)不同比例助烧剂对介电性能影响

[0040] 按照上述方法，分别加入1％、2％、3％、4％、6％、8％、10％水玻璃助烧剂，然后将所得铝板置于600℃烧结1.5h，取出后检测介电性能，得到表3。

[0041] 表3不同比例添加剂对介电性能的影响

[0042]

[0043] 添加的助烧剂过多或过少，介电性能都差，综合多组数据，添加3％-4％助烧剂时介电性能最好。

[0044] (四)不同烧结过程对介电性能影响

[0045] 按照上述方法制得3块铝板，置于600℃电阻炉中烧结，1号铝板烧结45min，2号铝板烧结90min，3号铝板先在600℃下烧结45min，取出冷却后继续烧结45min，将所得3组铝板分别检测介电性能，得到表4。

[0046] 表4不同烧结过程对介电性能的影响

[0047]

[0048] 烧结时间长，介电性能较好，烧结过程对介电性能影响较小。

[0049] 不同助烧剂对介电性能的影响

[0050] 目前，对超级电容的研究中大多采用ZnO2、B2O3、Al2O3等作为助烧剂，我们将这些常规助烧剂与水玻璃做了对比实验，以B2O3为例，按照上述方法实验，得到图3。从图中可以看出，无论加入水玻璃还是加入B2O3，在室温下其介电性能都是随湿度增加而增大，但是在同一湿度下，加入水玻璃后铝板的介电性能远高于加入B2O3后的介电性能。

[0051] (五)环境湿度对介电性能的影响

[0052] 将按照上述方法制得的铝板在不同湿度下检测介电性能，得到图4。发现随着湿度增加，介电常数急剧增加，但是湿度过大，陶瓷耐压性降低，综合实验数据，湿度为40％-60％时最佳。

[0053] 本发明通过采用低温烧结的助烧剂配方，使烧结温度降低到100℃即可得到介电性能优良的电介质材料介电常数。添加3％-4％的水玻璃和0.8-1.2％的二氧化硅使BTO陶瓷在100℃烧结1.5h，50％的相对湿度下测得了最佳介电性能：εr＝2851，耐压高于5000v。