一种宽温区高温陶瓷电容器介质材料及其制备方法

1.本发明属于介质陶瓷材料技术领域，具体涉及一种宽温区高温陶瓷电容器介质材料及其制备方法。


背景技术：

2.片式多层陶瓷电容器(mlcc)由于其具有小体积、高电容量、低介电损耗、高击穿场强以及易于微型化和集成化等诸多优点，被广泛地用于各种电子设备领域，如电脑、手机、汽车、电视等电子产品，目前已成为应用最为广泛的被动元件产品。
3.随着科技的不断发展，汽车电子、航空航天和油井勘探等极端环境中需要使用到工作温度超过200℃的高温陶瓷电容器。然而，传统eia x8r型陶瓷电容器的最高工作温度仅为150℃，已无法满足上述极端环境的使用温度需求，因此当前迫切需要开发能工作在200℃以上的高温陶瓷电容器介质材料。另外，高的介电常数有利于高温陶瓷电容器的小型化，而低的介电损耗和良好的介电温度稳定性能保证高温陶瓷电容器在工作温度范围内可靠、稳定地工作。此外，含铅等有害元素的高温陶瓷电容器介质材料会对人体健康和生态环境造成严重的危害。因此，开发宽的高温区间具有高且稳定的介电常数和低的介电损耗且环保友好的高温陶瓷电容器介质材料具有重要的实际意义。


技术实现要素：

4.针对上述对高温陶瓷电容器介质材料的实际应用需求，本发明提供一种温度稳定型高温陶瓷电容器介质材料及其制备方法。其目的之一是提供一种宽温区高温陶瓷电容器介质材料，其化学组成式为0.985(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.015la(zn
0.5
zr
0.5
)o3，该材料在宽的高温区间具有高且稳定的介电常数和低的介电损耗，且原料无毒。其目的之二是提供一种高温陶瓷电容器介质材料的制备方法，其步骤为：将原料粉体烘干后按化学计量比称量，球磨得浆料；将浆料烘干后预烧，研磨成粉体；将粉体球磨后烘干，再研磨成粉体；将粉体造粒后压成试样，高温排胶并烧结。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种宽温区高温陶瓷电容器介质材料，其特征在于：该介质材料的化学组成式为0.985(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.015la(zn
0.5
zr
0.5
)o3。
7.所述宽温区高温陶瓷电容器介质材料的制备方法包括以下步骤：
8.(1)将纯度大于99％的高纯粉体k2co3、na2co3、nb2o5、la2o3、zno和zro2放于120℃的恒温箱中烘干24小时，将烘干后的粉体按照0.985(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.015la(zn
0.5
zr
0.5
)o3的化学计量比进行精确称量(精确到小数点后4位)；
9.(2)将精确称量的粉体放于尼龙球磨罐中，以氧化锆球和无水乙醇为球磨介质在转速为360转/分钟的行星球磨机上球磨8小时，得到混合均匀的浆料a；
10.(3)将混合均匀的浆料a放于120℃的恒温箱中烘干4小时，将烘干的浆料用玛瑙研钵研磨成粉体，再用压力机将粉体在150mpa的压力下压成直径为20mm的圆柱体，将压成的
圆柱体在高温炉中以5℃/分钟的速率加热至900℃并保温2小时进行预烧；
11.(4)将预烧后的圆柱体用玛瑙研钵研磨成均匀粉体，再将研磨后的粉体放入尼龙球磨罐中，以氧化锆球和无水乙醇为球磨介质在转速为360转/分钟的行星球磨机上球磨8小时，得到混合均匀的浆料b；
12.(5)将混合均匀的浆料b放入120℃的恒温箱中烘干4小时，烘干后用玛瑙研钵研磨成粉体，再用5wt％的聚乙烯醇(pva)水溶液为粘结剂过60目筛进行造粒，之后用压力机将造粒后的粉体在350mpa的压力下压成直径为10mm厚度为1mm的圆柱试样；
13.(6)将圆柱试样在高温炉中以1.5℃/分钟的速率加热至550℃并保温2小时进行排胶，排完胶后再将试样放入氧化铝坩埚中并覆盖造粒后的粉体，以5℃/分钟的速率加热至1150℃并保温4小时，随炉自然冷却至室温。
14.本发明的有益效果为：
15.(1)本发明的高温陶瓷电容器介质材料在宽的高温区间(83℃～382℃)具有高且稳定的介电常数(～1892
±
15％)和低的介电损耗(≤0.05)，且原料无毒，可用于高温片式多层陶瓷电容器。
16.(2)本发明的高温陶瓷电容器介质材料的制备方法具有低成本，简单工艺，较低烧结温度(1150℃)及环境友好等优点，具有良好的产业化前景。
附图说明
17.图1为本发明实施例1制得的0.985(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.015la(zn
0.5
zr
0.5
)o3高温陶瓷电容器介质材料的介电常数、介电损耗和介电常数变化率随温度的变化关系图谱。
18.图2为本发明对比例1制得的0.99(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.01la(zn
0.5
zr
0.5
)o3介质材料的介电常数和介电损耗随温度的变化关系图谱。
19.图3为本发明对比例2制得的0.98(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.02la(zn
0.5
zr
0.5
)o3介质材料的介电常数和介电损耗随温度的变化关系图谱。
具体实施方式
20.为了更清楚地表达本发明，以下通过具体实施例和对比例对本发明作进一步说明。
21.实施例1
22.本发明提供的宽温区高温陶瓷电容器介质材料的化学组成式为：0.985(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.015la(zn
0.5
zr
0.5
)o3。
23.所述宽温区高温陶瓷电容器介质材料的制备方法包括以下步骤：
24.(1)将纯度大于99％的高纯粉体k2co3、na2co3、nb2o5、la2o3、zno和zro2放于120℃的恒温箱中烘干24小时，将烘干后的粉体按照0.985(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.015la(zn
0.5
zr
0.5
)o3的化学计量比进行精确称量(精确到小数点后4位)；
25.(2)将精确称量的粉体放于尼龙球磨罐中，以氧化锆球和无水乙醇为球磨介质在转速为360转/分钟的行星球磨机上球磨8小时，得到混合均匀的浆料a；
26.(3)将混合均匀的浆料a放于120℃的恒温箱中烘干4小时，将烘干的浆料用玛瑙研钵研磨成粉体，再用压力机将粉体在150mpa的压力下压成直径为20mm的圆柱体，将压成的
圆柱体在高温炉中以5℃/分钟的速率加热至900℃并保温2小时进行预烧；
27.(4)将预烧后的圆柱体用玛瑙研钵研磨成均匀粉体，再将研磨后的粉体放入尼龙球磨罐中，以氧化锆球和无水乙醇为球磨介质在转速为360转/分钟的行星球磨机上球磨8小时，得到混合均匀的浆料b；
28.(5)将混合均匀的浆料b放入120℃的恒温箱中烘干4小时，烘干后用玛瑙研钵研磨成粉体，再用5wt％的聚乙烯醇(pva)水溶液为粘结剂过60目筛进行造粒，之后用压力机将造粒后的粉体在350mpa的压力下压成直径为10mm厚度为1mm的圆柱试样；
29.(6)将圆柱试样在高温炉中以1.5℃/分钟的速率加热至550℃并保温2小时进行排胶，排完胶后再将试样放入氧化铝坩埚中并覆盖造粒后的粉体，以5℃/分钟的速率加热至1150℃并保温4小时，随炉自然冷却至室温。
30.对比例1
31.为了进行介电性能的对比，按以下步骤制备0.99(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.01la(zn
0.5
zr
0.5
)o3的介质材料：
32.(1)将纯度大于99％的高纯粉体k2co3、na2co3、nb2o5、la2o3、zno和zro2放于120℃的恒温箱中烘干24小时，将烘干后的粉体按照0.99(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.01la(zn
0.5
zr
0.5
)o3的化学计量比进行精确称量(精确到小数点后4位)；
33.(2)将精确称量的粉体放于尼龙球磨罐中，以氧化锆球和无水乙醇为球磨介质在转速为360转/分钟的行星球磨机上球磨8小时，得到混合均匀的浆料a；
34.(3)将混合均匀的浆料a放于120℃的恒温箱中烘干4小时，将烘干的浆料用玛瑙研钵研磨成粉体，再用压力机将粉体在150mpa的压力下压成直径为20mm的圆柱体，将压成的圆柱体在高温炉中以5℃/分钟的速率加热至900℃并保温2小时进行预烧；
35.(4)将预烧后的圆柱体用玛瑙研钵研磨成均匀粉体，再将研磨后的粉体放入尼龙球磨罐中，以氧化锆球和无水乙醇为球磨介质在转速为360转/分钟的行星球磨机上球磨8小时，得到混合均匀的浆料b；
36.(5)将混合均匀的浆料b放入120℃的恒温箱中烘干4小时，烘干后用玛瑙研钵研磨成粉体，再用5wt％的聚乙烯醇(pva)水溶液为粘结剂过60目筛进行造粒，之后用压力机将造粒后的粉体在350mpa的压力下压成直径为10mm厚度为1mm的圆柱试样；
37.(6)将圆柱试样在高温炉中以1.5℃/分钟的速率加热至550℃并保温2小时进行排胶，排完胶后再将试样放入氧化铝坩埚中并覆盖造粒后的粉体，以5℃/分钟的速率加热至1150℃并保温4小时，随炉自然冷却至室温。
38.对比例2
39.为了进行介电性能的对比，按以下步骤制备0.98(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.02la(zn
0.5
zr
0.5
)o3的介质材料：
40.(1)将纯度大于99％的高纯粉体k2co3、na2co3、nb2o5、la2o3、zno和zro2放于120℃的恒温箱中烘干24小时，将烘干后的粉体按照0.98(k
0.5
na
0.5
)nbo
3-0.02la(zn
0.5
zr
0.5
)o3的化学计量比进行精确称量(精确到小数点后4位)；
41.(2)将精确称量的粉体放于尼龙球磨罐中，以氧化锆球和无水乙醇为球磨介质在转速为360转/分钟的行星球磨机上球磨8小时，得到混合均匀的浆料a；
42.(3)将混合均匀的浆料a放于120℃的恒温箱中烘干4小时，将烘干的浆料用玛瑙研
钵研磨成粉体，再用压力机将粉体在150mpa的压力下压成直径为20mm的圆柱体，将压成的圆柱体在高温炉中以5℃/分钟的速率加热至900℃并保温2小时进行预烧；
43.(4)将预烧后的圆柱体用玛瑙研钵研磨成均匀粉体，再将研磨后的粉体放入尼龙球磨罐中，以氧化锆球和无水乙醇为球磨介质在转速为360转/分钟的行星球磨机上球磨8小时，得到混合均匀的浆料b；
44.(5)将混合均匀的浆料b放入120℃的恒温箱中烘干4小时，烘干后用玛瑙研钵研磨成粉体，再用5wt％的聚乙烯醇(pva)水溶液为粘结剂过60目筛进行造粒，之后用压力机将造粒后的粉体在350mpa的压力下压成直径为10mm厚度为1mm的圆柱试样；
45.(6)将圆柱试样在高温炉中以1.5℃/分钟的速率加热至550℃并保温2小时进行排胶，排完胶后再将试样放入氧化铝坩埚中并覆盖造粒后的粉体，以5℃/分钟的速率加热至1150℃并保温4小时，随炉自然冷却至室温。
46.将上述实施例1、对比例1和对比例2所制得的介质材料进行上下两表面打磨和被银，制成圆片型电容器，利用精密阻抗分析仪测得这三种介质材料在100khz下的介电常数和介电损耗随温度的变化关系。
47.实施例1、对比例1和对比例2所制得材料的介电常数和介电损耗随温度的变化关系分别如附图1、2、3所示。由附图1-3可知，介电常数温度稳定性与化学组成有强烈的依赖关系，附图1中介质材料的介电常数温度稳定性明显高于附图2和3中介质材料的。进一步计算实施例1中化学组成式为0.985(k
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)o3介质材料的介电常数变化率随温度的变化关系，如附图1中插图所示，该介质材料在宽的高温区间(83℃～382℃)具有高且稳定的介电常数(～1892
±
15％)和低的介电损耗(≤0.05)，表明该介质材料在高温片式多层陶瓷电容器有巨大应用潜力。