一種低損耗高壓陶瓷電容器介質

一種低損耗高壓陶瓷電容器介質

《一種低損耗高壓陶瓷電容器介質》是汕頭高新區松田實業有限公司於2010年12月8日申請的專利，該專利的申請號為2010105880211，公布號為CN102101775A，授權公布日為2011年6月22日，發明人是李言、黃瑞南、林榕。

《一種低損耗高壓陶瓷電容器介質》特徵在於由下述重量百分比的原料製成：BaTiO358-91％，SrTiO31-3％，BaZrO34-20％，CaZrO33-12％，CeO20.03-1.0％，ZnO0.1-1.5％，Bi2TiO50.5-4.5％。該發明的低損耗高壓陶瓷電容器介質耐電壓高，介質損耗小，在製備和使用過程中對環境無污染，並且能降低陶瓷電容器的成本，適合於製備單片陶瓷電容器和多層片式陶瓷電容器。

2016年12月7日，《一種低損耗高壓陶瓷電容器介質》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

基本介紹

  • 中文名：一種低損耗高壓陶瓷電容器介質
  • 公布號：CN102101775A
  • 授權日：2011年6月22日
  • 申請號：2010105880211
  • 申請日：2010年12月8日
  • 申請人：汕頭高新區松田實業有限公司
  • 地址：廣東省汕頭市汕頭高新區科技西路9號
  • 發明人：李言、黃瑞南、林榕
  • Int.Cl.：C04B35/49(2006.01)I；H01G4/12(2006.01)I
  • 代理機構：汕頭市潮睿專利事務有限公司
  • 代理人：林天普、丁德軒
  • 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,

專利背景

彩電、計算機、通迅、航空航天、飛彈、航海等領域迫切需要高性能（如擊穿電壓高、溫度穩定性好、可靠性高、小型化、容量大）的陶瓷電容器。為了獲得高性能的陶瓷電容器，要求陶瓷電容器的電介質具有損耗低、耐電壓高等特性；同時，隨著人們對身體健康及環境保護的日益重視，要求陶瓷電容器的電介質在製備、使用及廢棄的過程中不會對人體和環境造成危害，因而要求陶瓷電容器的電介質不含鉛、鎘等金屬元素。
截至2010年12月，通常用於生產高壓陶瓷電容器的電介質中含有一定量的鉛，這不僅在陶瓷電容器的生產、使用和廢棄過程中對人體和環境造成危害，而且對陶瓷電容器的性能穩定性也有不良影響。例如，中國期刊《江蘇陶瓷》1999年第2期在“BaTiO3系低溫燒成高介X7R電容器瓷料”一文中公開了一種BaTiO3中低溫燒成高介滿足X7R特性的電容器瓷料介質，該介質所含的低熔點玻璃料是硼矽酸鉛低熔點玻璃，介質是含鉛的，並且未涉及耐電壓，介質損耗較高。又如，中國期刊《南京化工大學學報》1999年第4期在“SrTiO3基高壓陶瓷電容器材料的組成與性能”一文中公開了一種低損耗高耐壓的電容器陶瓷介質，但該介質含有18摩爾％左右的鈦酸鉛，在製備和使用過程中會對環境和人體有污染。又如，中國發明專利申請公開說明書CN1212443A（發明名稱為“高介高性能中溫燒結片式多層瓷介電容器瓷料”，專利申請號為97117286.2），所公開的陶瓷電容器瓷料雖然介電常數高（介電常數≥16000），但耐電壓較差（耐電壓為700伏/毫米），另外其組分含有一定量的鉛。還有，中國發明專利申請公開說明書CN1212444A（發明名稱為“高性能中溫燒結片式多層瓷介電容器瓷料”，專利申請號為97117287.0），所公開的電容器瓷料介電常數太小（介電常數為3000），介質損耗較高，且耐電壓較低（耐電壓為860伏/毫米），另外其組分含有一定量的鉛。
有些陶瓷電容器的電介質雖然不含鉛，在陶瓷電容器的生產、使用和廢棄過程中對人體和環境的危害較小，但是其介電常數太小，且/或耐電壓較低。例如，中國期刊《電子元件與材料》1989年第5期在“高介高壓2B4介質陶瓷”一文中公開了一種高壓陶瓷電容器介質材料，這種介質材料不含鉛，但介電常數太小（介電常數ε＝2500-2600），tgδ＝0.5-1.4％，耐壓性較差（直流耐壓強度為7千伏/毫米），且介質損耗較高。又如，中國發明專利申請公開說明書CN1619726A（發明名稱為“一種中低溫燒結高壓陶瓷電容器介質”，專利申請號為200410041863.x），所公開的陶瓷電容器介質各組分的重量百分比含量為：BaTiO360-90％、SrTiO31-20％、CaZrO30.1-10％、Nb2O50.01-1％、MgO0.01-1％、CeO20.01-0.8％、ZnO0.01-0.6％、Co2O30.03-1％、鉍鋰固溶體0.05-10％，其介電常數為2000-3000，耐電壓為6千伏/毫米以上，介電常數和耐電壓性仍不夠理想，且介質損耗較高。
綜上所述，2010年12月前的各種用於陶瓷電容器的電介質無法同時滿足低損耗、高耐電壓及環保等方面的要求。

發明內容

專利目的

《一種低損耗高壓陶瓷電容器介質》所要解決的技術問題是提供一種低損耗高壓陶瓷電容器介質，這種陶瓷電容器介質損耗低，耐電壓高，並且在製備及使用過程中對環境無污染。

技術方案

《一種低損耗高壓陶瓷電容器介質》特徵在於由下述重量百分比的原料製成：BaTiO358-91％，SrTiO31-3％，BaZrO34-20％，CaZrO33-12％，CeO20.03-1.0％，ZnO0.1-1.5％，Bi2TiO50.5-4.5％。
在一種具體方案中，優選上述低損耗高壓陶瓷電容器介質由下述重量百分比的原料製成：BaTiO366.2-85％，SrTiO31-3％，BaZrO35-15％，CaZrO35-10％，CeO20.3-0.6％，ZnO0.3-0.7％，Bi2TiO51.5-4.5％。
在另一種具體方案中，優選上述低損耗高壓陶瓷電容器介質由下述重量百分比的原料製成：BaTiO373-88％，SrTiO31-3％，BaZrO34-14％，CaZrO34-9％，CeO20.3-0.6％，ZnO0.3-0.7％，Bi2TiO51.5-4.5％。
優選上述BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、Bi2TiO5分別採用常規的化學原料以固相法合成。例如：
上述BaTiO3（鈦酸鋇）可採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備BaCO3和TiO2，然後對BaCO3和TiO2進行研磨並混合均勻，再將BaCO3和TiO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1260℃下保溫120分鐘，得到BaTiO3。得到的BaTiO3經研磨並過200目篩，備用。
上述SrTiO3（鈦酸鍶）可採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備SrCO3和TiO2，然後對SrCO3和TiO2進行研磨並混合均勻，再將SrCO3和TiO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1260℃下保溫120分鐘，得到SrTiO3。得到的SrTiO3經研磨並過200目篩，備用。
上述BaZrO3（鋯酸鋇）可採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備BaCO3和ZrO2，然後對BaCO3和ZrO2進行研磨並混合均勻，再將BaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1270℃下保溫120分鐘，得到BaZrO3。得到的BaZrO3經研磨並過200目篩，備用。
上述CaZrO3（鋯酸鈣）可採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備CaCO3和ZrO2，然後對CaCO3和ZrO2進行研磨並混合均勻，再將CaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1270℃下保溫120分鐘，得到CaZrO3。得到的CaZrO3經研磨並過200目篩，備用。
上述Bi2TiO5（鈦酸鉍）可採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備Bi2O3和TiO2，然後對Bi2O3和TiO2進行研磨並混合均勻，再將Bi2O3和TiO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於950℃下保溫120分鐘，得到Bi2TiO5。得到的Bi2TiO5經研磨並過200目篩，備用。
上述各種原料中：BaTiO3的作用是形成主晶相；SrTiO3和BaZrO3作為移峰劑，適量的SrTiO3和BaZrO3能夠將陶瓷電容器介質的居里溫度移至室溫附近，提高陶瓷電容器介質的介電常數等；CaZrO3作為移峰劑和壓峰劑，適量的CaZrO3能夠提高陶瓷電容器介質的介電常數並改善陶瓷電容器介質的介溫特性；適量的CeO2（二氧化鈰）能提高陶瓷電容器介質的介電常數並降低介質損耗，改善陶瓷電容器介質的介溫特性；適量的ZnO（氧化鋅）能夠細化晶粒，降低陶瓷電容器介質的介質損耗，提高耐壓；適量的Bi2TiO5能夠降低陶瓷電容器介質的介質損耗，提高耐壓，降低陶瓷電容器介質的燒結溫度。
下面簡述上述低損耗高壓陶瓷電容器介質的一種製備方法，依次包括下述步驟：
（1）按比例配備BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5；
（2）將步驟（1）所配備的BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5粉碎並混合均勻，得到混合料；
可以將上述各種原料混合後，再進行粉碎；隨後，邊粉碎邊混合，或完成粉碎後再使各種原料混合均勻。粉碎設備可採用球磨機，也可以採用其它粉碎設備；
優選將上述各種原料混合後，採用行星球磨機進行球磨混合，被球磨的原料、所用水、所用球的重量比例為：原料:球:水＝1:3:（0.6-1），球磨過程持續4-8小時；球磨所用的水優選為蒸餾水或去離子水；
（3）對步驟（2）得到的混合料進行烘乾；烘乾的目的是去除混合料中的水分；優選烘乾溫度為110℃，烘乾時間為12小時；
（4）向經步驟（3）烘乾的混合料中加入粘合劑並進行造粒，得到顆粒狀物料；
上述粘合劑可採用聚乙烯醇水溶液；優選粘合劑採用濃度為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為經步驟（3）烘乾的混合料的重量的8-10％；
（5）將步驟（4）得到的顆粒狀物料壓製成生坯片；
可採用乾壓成型技術將顆粒狀物料壓製成生坯片；優選在20-30兆帕的壓力下對顆粒狀物料進行乾壓成型，得到生坯片；乾壓成型的工作溫度通常為室溫；
（6）將步驟（5）得到的生坯片置於溫度為1250-1280℃的環境下，保溫1-4小時，使生坯片排出粘合劑並燒結，得到低損耗高壓陶瓷電容器介質。得到的低損耗高壓陶瓷電容器介質可用於製作陶瓷電容器。
將上述陶瓷電容器的電介質置於溫度為780-870℃環境下，保溫15分鐘進行燒銀，形成銀電極，再焊接引線並進行包封，即得陶瓷電容器。

改善效果

《一種低損耗高壓陶瓷電容器介質》的低損耗高壓陶瓷電容器介質具有如下優點：不含鉛和鎘，在使用過程中對環境無污染；耐電壓高（直流耐電壓可達12千伏/毫米以上），電容溫度變化率小（符合Y5伏特性的要求），而且介質損耗小（介質損耗小於0.2％），因而陶瓷電容器在使用過程中性能穩定性好，安全性高，能擴大陶瓷電容器的套用範圍。該發明的低損耗高壓陶瓷電容器介質在製備過程中，燒結溫度較低（採用中溫燒結，燒結溫度為1250-1280℃），大大降低高壓陶瓷電容器的成本；並且利用不含鉛和鎘的電容器陶瓷普通化學原料製備陶瓷電容器的電介質，在製備過程中對環境無污染。總而言之，該發明的低損耗高壓陶瓷電容器介質耐電壓高，介質損耗小，在製備和使用過程中對環境無污染，並且能降低陶瓷電容器的成本，適合於製備單片陶瓷電容器和多層片式陶瓷電容器。

技術領域

《一種低損耗高壓陶瓷電容器介質》涉及電容器的電介質，具體地說，涉及一種低損耗高壓陶瓷電容器介質。

權利要求

1.《一種低損耗高壓陶瓷電容器介質》特徵在於由下述重量百分比的原料製成：BaTiO358-91％，SrTiO31-3％，BaZrO34-20％，CaZrO33-12％，CeO20.03-1.0％，ZnO0.1-1.5％，Bi2TiO50.5-4.5％。
2.根據權利要求1所述的低損耗高壓陶瓷電容器介質，其特徵是：所述低損耗高壓陶瓷電容器介質由下述重量百分比的原料製成：BaTiO366.2-85％，SrTiO31-3％，BaZrO35-15％，CaZrO35-10％，CeO20.3-0.6％，ZnO0.3-0.7％，Bi2TiO51.5-4.5％。
3.根據權利要求1所述的低損耗高壓陶瓷電容器介質，其特徵是：所述低損耗高壓陶瓷電容器介質由下述重量百分比的原料製成：BaTiO373-88％，SrTiO31-3％，BaZrO34-14％，CaZrO34-9％，CeO20.3-0.6％，ZnO0.3-0.7％，Bi2TiO51.5-4.5％。
4.根據權利要求1-3任一項所述的低損耗高壓陶瓷電容器介質，其特徵是：所述BaTiO3採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備BaCO3和TiO2，然後對BaCO3和TiO2進行研磨並混合均勻，再將BaCO3和TiO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1260℃下保溫120分鐘，得到BaTiO3。
5.根據權利要求1-3任一項所述的低損耗高壓陶瓷電容器介質，其特徵是：所述SrTiO3採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備SrCO3和TiO2，然後對SrCO3和TiO2進行研磨並混合均勻，再將SrCO3和TiO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1260℃下保溫120分鐘，得到SrTiO3。
6.根據權利要求1-3任一項所述的低損耗高壓陶瓷電容器介質，其特徵是：所述BaZrO3採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備BaCO3和ZrO2，然後對BaCO3和ZrO2進行研磨並混合均勻，再將BaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1270℃下保溫120分鐘，得到BaZrO3。
7.根據權利要求1-3任一項所述的低損耗高壓陶瓷電容器介質，其特徵是：所述CaZrO3採用如下工藝製備：按1：1的摩爾比配備CaCO3和ZrO2，然後對CaCO3和ZrO2進行研磨並混合均勻，再將CaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1270℃下保溫120分鐘，得到CaZrO3。
8.根據權利要求1-3任一項所述的低損耗高壓陶瓷電容器介質，其特徵是：所述Bi2TiO5採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備Bi2O3和TiO2，然後對Bi2O3和TiO2進行研磨並混合均勻，再將Bi2O3和TiO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於950℃下保溫120分鐘，得到Bi2TiO5。

實施方式

  • 實施例1
首先，以固相法合成BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、Bi2TiO5。
BaTiO3（鈦酸鋇）採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備BaCO3和TiO2，然後對BaCO3和TiO2進行研磨並混合均勻，再將BaCO3和TiO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1260℃下保溫120分鐘，得到BaTiO3。得到的BaTiO3經研磨並過200目篩，備用。
SrTiO3（鈦酸鍶）採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備SrCO3和TiO2，然後對SrCO3和TiO2進行研磨並混合均勻，再將SrCO3和TiO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1260℃下保溫120分鐘，得到SrTiO3。得到的SrTiO3經研磨並過200目篩，備用。
BaZrO3（鋯酸鋇）採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備BaCO3和ZrO2，然後對BaCO3和ZrO2進行研磨並混合均勻，再將BaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1270℃下保溫120分鐘，得到BaZrO3。得到的BaZrO3經研磨並過200目篩，備用。
CaZrO3（鋯酸鈣）採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備CaCO3和ZrO2，然後對CaCO3和ZrO2進行研磨並混合均勻，再將CaCO3和ZrO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於1270℃下保溫120分鐘，得到CaZrO3。得到的CaZrO3經研磨並過200目篩，備用。
Bi2TiO5（鈦酸鉍）採用如下工藝製備：按1:1的摩爾比配備Bi2O3和TiO2，然後對Bi2O3和TiO2進行研磨並混合均勻，再將Bi2O3和TiO2的混合物料放入氧化鋁坩堝內，於950℃下保溫120分鐘，得到Bi2TiO5。得到的Bi2TiO5經研磨並過200目篩，備用。
然後，依次按下述步驟製備低損耗高壓陶瓷電容器介質：
（1）按比例配備BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5；
參照表1，配備的各種原料的重量百分比如下：BaTiO381％、SrTiO31.5％、BaZrO38.2％、CaZrO36.5％、CeO20.4％、ZnO0.4％和Bi2TiO52.0％；
（2）將步驟（1）所配備的BaTiO3、SrTiO3、BaZrO3、CaZrO3、CeO2、ZnO和Bi2TiO5粉碎並混合均勻，得到混合料；
該實施例中，將上述各種原料混合後，採用行星球磨機進行球磨混合，被球磨的原料、所用水、所用球的重量比例為：原料:球:水＝1:3:0.8，球磨過程持續6小時；球磨所用的水為蒸餾水或去離子水；
（3）對步驟（2）得到的混合料進行烘乾，去除混合料中的水分；
該實施例中，烘乾溫度為110℃，烘乾時間為12小時；
（4）向經步驟（3）烘乾的混合料中加入粘合劑並進行造粒，得到顆粒狀物料；
粘合劑採用濃度為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為經步驟（3）烘乾的混合料的重量的10％；
（5）將步驟（4）得到的顆粒狀物料壓製成生坯片；
該實施例在25兆帕的壓力下對顆粒狀物料進行乾壓成型，得到生坯片；
（6）將步驟（5）得到的生坯片置於溫度為1260℃的環境下，保溫3小時，使生坯片排出粘合劑並燒結，得到低損耗高壓陶瓷電容器介質。
  • 實施例2-9
實施例2-9中，各種原料的用量如表1所示。利用上述原料製備低損耗高壓陶瓷電容器介質的方法可參考實施例1，各步驟中的溫度、時間、壓力等工藝條件可根據實際情況進行調整。
上述實施例1-9製得的陶瓷電容器的電介質的性能參數如表2所示。
表1、該發明各實施例的原料配比
實施例
原料（重量%）
BaTiO3
SrTiO3
BaZrO3
CaZrO3
ZnO
CeO2
Bi2TiO5
1
81
1.5
8.2
6.5
0.4
0.4
2.0
2
82
1.5
7.2
6.5
0.5
0.4
1.9
3
83
1.5
6.2
6.5
0.4
0.4
2.0
4
87
1.3
4
4.3
0.5
0.4
2.5
5
78
2
9.8
6.3
0.4
0.5
3.0
6
66.2
3
15
10
0.7
0.6
4.5
7
91
1
4.2
3.1
0.1
0.03
0.57
8
73
1.5
13
8.2
0.4
0.4
3.5
9
58
3
20
12
1.5
1.0
4.5
表2、該發明各實施例製得的低損耗高壓陶瓷電容器介質的性能參數
實施例
介電常數ε
介質損耗（×10
絕緣電阻（×10歐姆·裡面）
電容溫度變化率（%）（-30~+85℃）
耐直流電壓（千伏/毫米）
1
2710
13.7
>60
+8.2/-6.6
>12
2
2860
12.3
>60
+7.3/-6
>12
3
2413
11.1
>60
+6.3/-6.8
>12
4
3140
14.4
>50
+7.3/-7.6
>12
5
3254
16.1
>50
+7.2/-7.8
>12
6
3465
16.8
>50
+8.5/-8.0
>12
7
3507
18.8
>30
+9.3/-8.5
>12
8
3610
19.1
>30
+8.9/-8.3
>12
9
3760
19.0
>30
+9.0/-8.1
>12

榮譽表彰

2016年12月7日，《一種低損耗高壓陶瓷電容器介質》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

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