一种巨介电常数低损耗X8R型陶瓷电容器材料及其制备方法与流程

本发明属于电子陶瓷材料应用技术领域，具体涉及一种巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料及其制备方法。

背景技术：

当今社会，随着电子及微电子技术的快速发展，以及电子产品的小型化，集成化及多功能化的需求，具有高介电常数的材料得到前所未有的关注。相比较于其它高介电常数材料，巨介电陶瓷材料因其拥有极高的介电常数，良好的机械强度、抗腐蚀及温度稳定性等优点，被视为潜在的一类可以广泛应用于集成电路以及高储能密度电容器的一类材料。

在过去十几年关于巨介电陶瓷材料的研究中，研究者们发现了一系列对环境友好的巨介电陶瓷材料，例如钙铜钛氧、类钙铜钛氧、钛酸钡、钛酸锶、氧化镍等。2013年澳大利亚国立大学刘芸教授团队利用(in,nb)受主-施主双掺杂金红石型二氧化钛陶瓷，成功制备出了介电常数高达50000以上，且损耗低于0.05并且拥有优异温度及频率稳定性的巨介电陶瓷材料。因此，通过掺杂改性金红石型二氧化钛陶瓷成为目前巨介电陶瓷方向的研究热点。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料，该材料的名义化学式为(95～97)mol％tio2-(3～5)mol％ga2o3。

一种巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将tio2、ga2o3作为起始原料，按照tio2:ga2o3＝(95～97):(3～5)的摩尔比进行配料后以无水乙醇为球磨介质，球磨混合均匀后烘干；

(2)把步骤(1)制得的烘干粉体于1000-1100℃预烧2.5-3.5h，制得预烧后的粉体；

(3)将步骤(2)制得的预烧后的粉体粉碎，再以无水乙醇为球磨介质球磨混合均匀、烘干、研磨成微米级粉状；

(4)将步骤(3)制备的粉体加入pva粘结剂，造粒、压片、排胶得到陶瓷素胚体；

(5)将陶瓷素胚体在1330-1370℃烧结3-5h，得到相应的陶瓷块体材料；

(6)将陶瓷块体材料在900-1000℃氩氢气气氛中退火1.5-2.5h，即制得巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料。

优选地，步骤(1)中tio2为金红石型，tio2的纯度为99.99％。

优选地，步骤(1)中球磨时间为11-13h，烘干温度为95-105℃，烘干时间为11-13h。

优选地，步骤(3)中球磨时间为11-13h，烘干温度为95-105℃，烘干时间为11-13h。

优选地，步骤(4)中压片模具的直径为11-13mm，压力为75-85mpa，保压时间为2-4分钟。

优选地，步骤(4)中排胶温度为580-620℃，排胶时间为1.8-2.2h。

优选地，步骤(4)中步骤(3)制备的粉体与pva粘结剂的质量比为2:1。

优选地，步骤(6)中氩氢气气氛中氢气的浓度为4-6％。

本发明的有益效果在于：

本发明制备工艺简单，成本低廉，对环境无害，且获得的x8r陶瓷材料的介电常数高，损耗低，频率及热稳定性好。本发明所提供的金红石型二氧化钛基巨介电低损耗x8r陶瓷材料，具有良好的产业化前景。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的95mol％tio2-5mol％ga2o3二氧化钛基巨介电常数低损耗x8r陶瓷材料的x射线图谱。

图2为本发明实施例1制得的95mol％tio2-5mol％ga2o3二氧化钛基巨介电常数低损耗x8r陶瓷材料的显微形貌照片。

图3为本发明实施例1制得的95mol％tio2-5mol％ga2o3二氧化钛基巨介电常数低损耗x8r陶瓷材料室温条件下的介电常数及损耗随频率变化的规律图。

图4为本发明实施例1制得的95mol％tio2-5mol％ga2o3二氧化钛基巨介电常数低损耗x8r陶瓷材料在不同频率条件下的介电常数及损耗随温度变化的规律图。

图5为本发明实施例1制得的95mol％tio2-5mol％ga2o3二氧化钛基巨介电常数低损耗x8r陶瓷材料在不同频率条件下的介电常数变化率随温度变化的规律图。

具体实施方式

本发明采用传统的固相法制备二氧化钛基陶瓷材料，并利用在还原性气氛中退火的工艺获得一种热稳定性金红石型二氧化钛基巨介电常数低损耗x8r陶瓷材料。

下面将以实施例对本发明予以具体说明。下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

实施例1

一种巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的其制备方法，具体步骤如下：

(1)将纯度为99.99％的tio2(金红石型)、ga2o3原料按化学计量比为95mol％tio2-5mol％ga2o3配料放入球磨罐中，选择氧化锆球和尼龙罐，混合球磨时间为12h，转速为300转/分，球磨介质为无水乙醇。将球磨后所得产物置于100℃烘箱中烘干12h。

(2)把步骤(1)制得的烘干粉体以3℃/分的升温速率升至1050℃预烧结3h。

(3)取出预烧后的粉体研碎，再以无水乙醇为球磨介质球磨12h混合均匀，于100℃下烘干12h后研磨成粉状。

(4)取10g粉体加入5mlpva溶液(pva5wt％)中并进行充分研磨；取0.7g充分研磨后的粉体将其放置在直径为12mm的模具中，在80mpa下保压3分钟，压好之后的块体在600℃下排胶2h。

(5)将排胶后所得到的陶瓷素胚体在1350℃烧结4h制得相应的陶瓷块体材料。

(6)将陶瓷块体材料在950℃氩氢气气氛中退火2h，即制得金红石型二氧化钛基陶瓷材料，此处，氩氢气气氛中氢气的浓度为5％。

将本实施例1制得的金红石型二氧化钛基陶瓷材料，在不同频率及温度条件下测试其介电常数及损耗的变化，如附图3、4、5所示，这种金红石型二氧化钛基陶瓷材料在100-1mhz条件下介电常数都可以保持在10⁵附近，且在频率为1khz时损耗仅为0.04。此外，在-55℃～150℃的温度范围内，多个频率下的介电常数变化率在-12.98～14.64范围内。显而易见，本发明巨介电陶瓷材料均具有高的温度稳定性，满足x8r陶瓷电容器的行业标准(-15％≤静电容量变化率≤15％)，实用性强，有望在电子陶瓷市场应用。

技术特征：

1.一种巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料，其特征在于：该材料的名义化学式为(95～97)mol％tio2-(3～5)mol％ga2o3。

2.一种如权利要求1所述的巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

(1)将tio2、ga2o3作为起始原料，按照tio2:ga2o3＝(95～97):(3～5)的摩尔比进行配料后以无水乙醇为球磨介质，球磨混合均匀后烘干；

(2)把步骤(1)制得的烘干粉体于1000-1100℃预烧2.5-3.5h，制得预烧后的粉体；

(3)将步骤(2)制得的预烧后的粉体粉碎，再以无水乙醇为球磨介质球磨混合均匀、烘干、研磨成微米级粉状；

(4)将步骤(3)制备的粉体加入pva粘结剂，造粒、压片、排胶得到陶瓷素胚体；

(5)将陶瓷素胚体在1330-1370℃烧结3-5h，得到相应的陶瓷块体材料；

(6)将陶瓷块体材料在900-1000℃氩氢气气氛中退火1.5-2.5h，即制得巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料。

3.根据权利要求2所述的巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中tio2为金红石型，tio2的纯度为99.99％。

4.根据权利要求2所述的巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中球磨时间为11-13h，烘干温度为95-105℃，烘干时间为11-13h。

5.根据权利要求2所述的巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中球磨时间为11-13h，烘干温度为95-105℃，烘干时间为11-13h。

6.根据权利要求2所述的巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中压片模具的直径为11-13mm，压力为75-85mpa，保压时间为2-4分钟。

7.根据权利要求2所述的巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中排胶温度为580-620℃，排胶时间为1.8-2.2h。

8.根据权利要求2所述的巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中步骤(3)制备的粉体与pva粘结剂的质量比为2:1。

9.根据权利要求2所述的巨介电常数低损耗x8r型陶瓷电容器材料的制备方法，其特征在于：步骤(6)中氩氢气气氛中氢气的浓度为4-6％。

技术总结
本发明涉及一种巨介电常数低损耗X8R型陶瓷电容器材料，该材料的名义化学式为95mol％TiO2‑5mol％Ga2O3。其制备方法如下：按照TiO2:Ga2O3＝95:5的摩尔比进行配料后以无水乙醇为球磨介质，球磨混合均匀后烘干；然后于1000‑1100℃预烧2.5‑3.5h得预烧后的粉体，粉碎，再以无水乙醇为球磨介质球磨混合均匀、烘干、研磨成粉状；加入PVA粘结剂，造粒、压片、排胶得到陶瓷素胚体；在1330‑1370℃烧结3‑5h，得陶瓷块体材料；在900‑1000℃氩氢气气氛中退火1.5‑2.5h即得产物。本发明制备工艺简单，成本低廉，对环境无害，且获得的X8R陶瓷材料的介电常数高，损耗低，频率及热稳定性好，具有良好的产业化前景。

技术研发人员：汪春昌;李天宇
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2019.12.25
技术公布日：2020.04.07