一种巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料，它为Sm和Ba两种元素共同进行Sr位取代的具有巨介电性能的SrTiO3基陶瓷材料，其化学式为BaxSr0.97‑xSm0.02TiO3，其中x表示Ba的摩尔分数，0.1≤x≤0.4；Sm的摩尔分数固定为0.02。本发明专利技术以SrCO3、Sm2O3、TiO2、BaCO3为原料，并按BaxSr0.97‑xSm0.02TiO3的化学计量比进行混合后球磨，烘干、预烧、二次球磨、造粒、成型、烧结等步骤制备所述电介质陶瓷材料，所得材料的介电常数高(>20000)、介电损耗低(<0.05)，具有优良的温度和频率稳定性；且涉及的制备方法简单，重复性好，成品率高，成本低，适合推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于信息功能材料领域，具体涉及一种具有宽温宽频稳定性的巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
微电子信息技术的快速发展对电子元器件的微型化、集成化提出了更高的要求，作为电子元器件的重要组分部分，电介质陶瓷的研究受到人们越来越多的关注。随着信息
尤其是电子和微电子行业的发展以及极端环境下的工作需要，具有良好的温度和频率稳定性的巨介电常数、低介电损耗的电介质材料有着广泛的应用前景。近年来，具有巨介电常数的电介质材料在新材料界受到越来越多的关注，这些具有巨介电常数的电介质材料主要集中在CaCu3Ti4O12陶瓷及其改性材料、Fe基复合钙钛矿材料、金属共掺杂NiO陶瓷材料以及BaTi1-x(Ni1/2W1/2)xO3陶瓷材料等。这些具有巨介电常数的电介质材料往往与内部的界面极化、弛豫偶极子等有关，而且往往具有高的介电损耗(&gt;0.1)，很难广泛应用于电容器、存储器等需要高介电常数低介电损耗的电子元器件中。所以，制备一种既具有高的介电常数，又具有低的介电损耗，同时兼顾良好的温度和频率稳定性的电介质材料具有明显的实际意义。SrTiO3为典型的量子顺电体陶瓷材料，不存在因自发极化而产生的居里点，具有低的介电损耗和优异的介温稳定性，在介电陶瓷领域已受到多年的研究。通过稀土掺杂改性和保护气氛烧结，可以拓宽其在巨介电材料领域的广泛应用。有文章显示稀土掺杂量约为0.01～0.03时，可以显著的提高SrTiO3基陶瓷的介电常数，但由于缺陷离子的作用会产生弛豫现象，较大的介电损耗弛豫峰限制了其在高温环境下的应用；保护气氛烧结的SrTiO3陶瓷由于晶粒晶界的界面极化，往往产生较大的介电损耗(&gt;0.1)。如何在维持低介电损耗的基础上，得到具有巨介电常数和宽温宽频稳定性的SrTiO3陶瓷，是目前的一大技术研究热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料，该材料介电常数高、介电损耗低，并具有优良的温度和频率稳定性；且涉及的制备方法简单，重复性好，成品率高，成本低，适合推广应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料，它为采用Ba和Sm共同进行Sr位取代的SrTiO3基巨介电陶瓷材料，其通式为BaxSr0.97-xSm0.02TiO3，其中x的取值范围为0.1≤x≤0.4，Sm的掺杂量固定为0.02。上述一种巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：1)以SrCO3、Sm2O3、TiO2和BaCO3为原料，按BaxSr0.97-xSm0.02TiO3的化学计量比进行称量、混合，将所得混合原料进行球磨、烘干；2)将步骤1)所得烘干产物进行预烧、二次球磨得预烧粉体，然后添加粘结剂造粒并进行过筛、压制成型、排胶后得到陶瓷坯体；3)将所得陶瓷坯体置于保护气氛下进行烧结，冷却制得所述巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料。上述方案中，所述步骤1)球磨过程和步骤2)中所述二次球磨过程采用滚筒式湿式球磨；采用的球磨介质为氧化锆球和无水乙醇，球磨转速为800～1000r/min，球磨时间为18～30小时。上述方案中，所述预烧温度为1100～1180℃，预烧保温时间为2～4h。上述方案中，步骤3)中所述烧结工艺为：以4～8℃/min的速率加热至900～1000℃，然后以2～5℃/min的速率升温至1400～1550℃保温烧结2～4h，再以2～5℃/min的速率降温至900～1100℃，最后随炉自然冷却。上述方案中，所述烘干温度为100～120℃，烘干时间为18～30小时。上述方案中，所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液，其质量浓度为2.5～5wt％。上述方案中，所述粘结剂体积与预烧粉体的质量之比为0.04～0.08ml:g。上述方案中，所述压制成型过程采用的压力为10～15Mpa，采用单轴自动加压模压装置，所得陶瓷坯体的直径为12mm、厚度为0.7～1.2mm。上述方案中，所述烧结过程中保护气氛的流通速率为50～100mL/min，保护气氛为氮气或氩气。上述方案中，进行步骤3)所述烧结过程前，预先对烧结炉内管道进行抽真空至体系真空度达低于100Pa，然后通保护气氛至105Pa，再重复抽真空通保护气氛4-8次后再持续通保护气氛，在保护气氛下对陶瓷坯体进行烧结。本专利技术的原理为：本专利技术通过对SrTiO3在具有还原性的保护气氛烧结下进行Sr位的Ba与Sm共掺改性，稀土Sm为施主掺杂，导致陶瓷内部Ti4+离子结合自由电子生成Ti3+离子，一个Ti3+离子可以被看作一个Ti4+离子束缚一个电子(Ti4+·e)；而在保护气氛如氮气烧结下产生的氧空位和自由电子也会增加Ti3+离子的数量，大量的Ti3+离子与氧空位形成的稳定的偶极子其由于电子被束缚，故在低于电子被激活温度下，电子的跳跃是本地位置的跳跃，导致陶瓷具有巨介电常数和低介电损耗；同时铁电相的Ba进入顺电相SrTiO3，可以调谐介电性能的稳定性，抑制因为稀土掺杂导致的介电损耗峰的弛豫现象，进而可以实现巨介电性能的温度和频率稳定性。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术通过对SrTiO3进行Sr位的Ba与Sm共掺改性，并进行保护气氛烧结。在陶瓷内部形成一定数量的稳定的偶极子，从而束缚自由电子的移动得到具有巨介电常数和低介电损耗的SrTiO3基陶瓷材料；该材料在0～300℃(测试频率1kHz)和20Hz～20KHz(测试温度范围50～200℃)的宽温宽频条件下具有巨大介电常数(&gt;20000)和低介电损耗(&lt;0.05)，并具有优良的温度和频率稳定性。2)通过改变Ba的不同掺杂含量，可以显著提升所得电介质陶瓷材料的介电常数，降低因稀土掺杂导致的介电损耗弛豫峰，调控陶瓷材料的介电性能稳定性。3)本专利技术对原料的粒度及粒径无特别要求，且稀土Sm的掺杂量微量且固定，因此能降低生产成本；且涉及的制备方法简单，重复性好，成品率高，成本较低，便于商业化生产。附图说明图1为本专利技术实施例1所制备的Ba0.2Sr0.77Sm0.02TiO3陶瓷材料(1)及对比例5所制备的Ba0.6Sr0.37Sm0.02TiO3陶瓷材料(2)的XRD图谱。图2为本专利技术实施例1所制备的Ba0.2Sr0.77Sm0.02TiO3陶瓷材料的SEM图谱。图3为本专利技术实施例1所制备的Ba0.2Sr0.77Sm0.02TiO3陶瓷材料的XPS图谱。图4为本专利技术实施例1所制备的Ba0.2Sr0.77Sm0.02TiO3陶瓷材料的阻抗谱。图5为本专利技术实施例1所制备的Ba0.2Sr0.77Sm0.02TiO3陶瓷材料在-60～400℃范围内的(a)介电常数随温度变化曲线，(b)介电损耗随温度变化曲线；其中沿箭头指示方向的频率分别为0.1kHz，1kHz，10kHz，100kHz。图6为专利技术实施例1所制备的Ba0.2Sr0.77Sm0.02TiO3陶瓷材料在20Hz～300kHz范围内(a)介电常数随频率变化曲线，(b)介电损耗随频率变化曲线；其中沿箭头指示方向的温度分别为50℃，100℃，150℃，200℃。图7为本专利技术对比例1所制备的SrTiO3陶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料，其特征在于，它为采用Ba和Sm共同进行Sr位取代的SrTiO3基巨介电陶瓷材料，其通式为BaxSr0.97‑xSm0.02TiO3，其中x的取值范围为0.1≤x≤0.4，Sm的掺杂量固定为0.02。

【技术特征摘要】
1.一种巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料，其特征在于，它为采用Ba和Sm共同进行Sr位取代的SrTiO3基巨介电陶瓷材料，其通式为BaxSr0.97-xSm0.02TiO3，其中x的取值范围为0.1≤x≤0.4，Sm的掺杂量固定为0.02。2.根据权利要求1所述的巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)以SrCO3、Sm2O3、TiO2和BaCO3为原料，按BaxSr0.97-xSm0.02TiO3的化学计量比进行称量、混合，将所得混合原料进行球磨、烘干；2)将步骤1)所得烘干产物进行预烧、二次球磨得预烧粉体，然后添加粘结剂造粒并进行过筛、压制成型、排胶后得到陶瓷坯体；3)将所得陶瓷坯体置于保护气氛下进行烧结，冷却制得所述巨介电常数低介电损耗的电介质陶瓷材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述球磨和二次球磨过程的球磨速度为800～1000r/min，球磨时间为18～30小时。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述预烧温度为1100～1180℃，预烧保温时间为2～4h。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘韩星，李广耀，郝华，曹明贺，陈卓，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42