用于高能量密度多层陶瓷电容器的纳米结构化介电材料制造技术

多层陶瓷电容器，其具有多个电极层和多个基本上为二氧化钛的介电层；其中各单独的二氧化钛介电层基本上无孔隙，其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层位于两个单独的电极层之间，其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层具有在约200至约400纳米的平均粒度，其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层具有小于约500纳米的最大粒径。通常，基本上为二氧化钛的各单独的介电层还包含选自P、V、Nb、Ta、Mo、W及其组合的至少一种掺杂物，所包含的掺杂物通常是以小于约0.01原子百分率的量而存在。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高能量密度多层陶瓷电容器的纳米结构化介电材料相关申请的交叉引用本申请要求于2009年8月29日提交的共同未决的美国专利申请序列号12/550,373的优先权，其要求于2008年8月29日提交的共同待决美国临时专利序列号61/190,514的优先权。资助声明本专利技术是部分地在政府支持下由空军装备司令部办公室批准的资助号FA9451-08-C-0167下完成。美国政府具有本专利技术中的某些权利。
本专利技术涉陶瓷科学的领域，更具体地涉及高能量密度多层陶瓷电容器。
技术介绍
对于用于包括车辆、非高峰期发电、燃料电池、空间探索、和军事应用的用途的可以存储大量电能的电容器存在着迫切的需求。电容器中的能量存储原理已被清楚地了解达一段时间。决定能量密度的关键参数是以下参数：介电体的电容率(介电常数)及其对所施加的DC电压的依赖性；在不发生击穿的情况下介电体可以耐受的最大电场；和介电体的组装效率。以下方程式给出了每单位体积介电体中存储的能量(J)：(1)其中ε0是真空的电容率，εr(E)是介电体的相对电容率，E是电场，Eb是介电击穿强度(介电材料可以耐受的最高电场)。如果并且只有在介电体是线性(即极化随着施加的电场线性地增加)的情况下，方程式(1)可以简化为(2)众所周知，用于这些电容器的介电材料通常是选自特点为具有高介电体电容率与高击穿强度的组合的材料。遗憾地，具有非常高击穿强度的材料(诸如聚合物)往往具有低介电常数。通过用高电容率陶瓷粉末装填聚合物而提高电容率的努力通常导致击穿强度的降低。相反，具有高电容率的介电体(诸如基于钛酸钡的介电体)通常具有相对较低的击穿强度，而且电容率经常是非线性的，被高电场的施加强烈地阻止。陶瓷介电体的早期研究表明：具有约225的电容率的基于钛酸锶的近似线性的介电体具有比基于钛酸钡的高电容率介电体更低的能量存储容量，甚至当把电容率对电场的依赖性考虑进去时。当把钛酸锶介电体的能量存储容量与基于锆酸铅的反铁电陶瓷介电体的进行比较时，得出相同的结论。然而，最近的研究已表明：当在氧气气氛中烧结期间保持小粒度(<500nm)时二氧化钛烧结粒料(具有约125的电容率的线性介电体)中的能量存储可以具有高能量存储容量(约14J/ml)，因为可以获得高达140V/µm的击穿电压。另一方面，用烧成粒度<500nm的二氧化钛介电体制造多层陶瓷电容器存在许多处理难点。多层陶瓷电容器通常是通过浇铸介电粉末、有机粘结剂和溶剂的浆体然后将其干燥以形成柔性的“坯体（green）”薄带而制造。将金属膏或者由金属粉、有机树脂和溶剂所组成的油墨涂覆在薄带的一侧(通常利用丝网印刷法)，然后将金属化薄带层堆积并层压以形成整体，其中交替的金属层分别具有共同的极性。然后，必须对此整体结构进行烧成以使陶瓷介电体烧结并且使内金属层与陶瓷结合。在含有二氧化钛作为介电体的电容器的情况下，由于若在处理期间燃烧有机物可降低电容器内部的氧水平则二氧化钛变为半导体的倾向强烈，因而当从陶瓷中和从电极层中除去粘结剂材料时预计会产生问题。另外，由于在烧成期间陶瓷与金属层之间收缩率的差异，因而在电极中的介电材料与金属之间可能存在化学不相容性和机械不相容性。因此，对于同时显示高介电体电容率和高击穿强度的多层陶瓷电容器、以及制造其的方法仍然存在着需求。本专利技术设法满足了这些需求。附图说明图1是根据本专利技术第一实施方式的多层电容器的示意图。图2总结了根据本专利技术第二实施方式的、具有特征是纳米级的粒度和粒径分布的微观结构的二氧化钛烧结体的烧结曲线。图3是具有用于击穿强度(BDS)测量的凹形电极构造的、图2的烧结体的示意图。图4是前驱体TiO2纳米粉末的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。图5是说明前驱体粉末和两个烧结体(T1200A和T750)的X射线衍射(XRD)曲线的图。图6A是烧结体的第一SEM显微照片。图6B是烧结体的第二SEM显微照片。图6C是烧结体的第三SEM显微照片。图6D是烧结体的第四SEM显微照片。图7A是说明烧结体的介电常数的图。图7B是说明烧结体的介电损耗的图。图8是说明烧结体的极化与电场的关系的图。图9是说明在各种条件下烧结的TiO2陶瓷的电流-电压特性的图。图10是在各种条件下烧结的TiO2陶瓷的导电率的Arrhenius曲线图。图11A示出了在各种条件下烧结的TiO2陶瓷的复阻抗谱。图11B示出了样品T9001C和T1200A的拟合曲线。图12是显示阻抗(Z'')与频率的关系的虚部（imaginarypart）的图。图13是说明在各种条件下烧结的TiO2陶瓷的介电击穿强度的图。图14是说明在击穿强度测试期间的I-V曲线的图。图15是根据本专利技术第三实施方式的多层陶瓷电容器的分解示图。图16是根据本专利技术第四实施方式的用于制造图15的电容器的方法的示意图。专利技术详述为了便于对该新技术原理的理解，现在将参考附图中示出的实施方案，并且用具体语言描述这些实施方案。然而，应当理解的是并非意图限制该新技术的范围，这种对所图示装置的变更和进一步修改以及图示的新技术原理的其它应用对于该新技术相关领域的技术人员而言是显而易见的。二氧化钛(TiO2)是最广泛使用的陶瓷材料之一，其具有大范围用途(诸如颜料、传感器、废物处理、太阳能电池和电容器)。多年来，纳米晶体TiO2陶瓷已是研究者们十分感兴趣的主题。在不同领域(如TiO2纳米粉末合成、薄膜制造、和陶瓷块的烧结)已进行了研究。然而，因此非常纯的TiO2纳米粉末材料很少被用作用于电容器用途的介电材料，因为它会容易地被还原，从而形成具有较低电阻率和高介电损耗的装置，即使化学计量比TiO2的内在介电损耗是非常低。陶瓷的性能(机械性能和电性能的两者)在很大程度上取决于其微观结构特征(诸如粒度、孔隙率、二次相等)，并且能够通过控制陶瓷的微观结构而提升一些期望的性能。本专利技术定义了一种具有有吸引力的介电性能(诸如低内在介电损耗和高击穿强度)的新的经改进纳米结构陶瓷材料。通常存在将会决定介电材料的能量密度的两个关键参数：一个参数是介电常数，另一个参数是介电击穿强度(介电材料可以耐受的最高电场)。介电体的体积能量密度是由下式确定：(3)其中W是体积能量密度(J/cm3)，ε0是真空的电容率，εr是介电材料的相对电容率，E是电场，Eb是介电击穿强度。对于线性介电材料而言，方程式(3)可以简化成(4)该方程式表明能量密度主要是介电击穿强度的函数。根据第一实施方式，该新纳米结构的介电材料是由至少一层的纳米结构介电陶瓷材料所构成。换句话说，该陶瓷材料具有纳米级粒度且无残余的孔隙。一种示例性材料是二氧化钛(TiO2)。当粒度从10µm减小到200nm时，TiO2的击穿强度从约550KV/cm增加到约1100KV/cm。参照方程式2，具有增加的击穿强度的纳米结构和致密的TiO2应当是用于高能量密度电容器的良好候选材料。其它纳米结构的致密介电材料包括但不限于Al2O3、稳定化的ZrO2、BaTiO3，并且与具有微米范围(>1μm)内的晶粒结构的其常规对应物相比压电陶瓷(PZT)也应显示高电击穿强度。纳米结构介电体的典型的粒度和密度极限分别为小于约300nm和大于理论密度的约99.9%(或者孔隙率小于约0.1%)。本专利技术还本文档来自技高网...

【技术保护点】
多层陶瓷电容器，其包含：多个电极层；和多个基本上为二氧化钛的介电层；其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层位于两个单独的电极层之间；其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层具有在约200和约300纳米之间的平均粒径；和其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层具有约400纳米的最大粒径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.13 US 13/2309261.多层陶瓷电容器，其包含：多个电极层；和多个基本上为二氧化钛的介电层；其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层位于两个单独的电极层之间；其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层具有在200和300纳米之间的平均粒径；其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层具有400纳米的最大粒径，其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层还包含选自P、V、Nb、Ta、Mo、W及其组合的具有较高电荷的至少一种给予体掺杂物；并且其中所包含的给予体掺杂物是以0.01-0.1原子百分率的量存在，和其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层还包含选自Co、Ni、Fe、Mn、Mg及其组合的具有较低电荷的至少一种接受体掺杂物；并且其中所包含的接受体掺杂物是以0.01-0.1原子百分率的量存在。2.如权利要求1所述的多层陶瓷电容器，其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层具有1%的最大孔隙率。3.如权利要求1所述的多层陶瓷电容器，其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层具有0.5%的最大孔隙率。4.如权利要求1所述的多层陶瓷电容器，其中基本上为二氧化钛的各单独的介电层具有0.1%的最大孔隙率。5.如权利要求1所述的多层陶瓷电容器，其中所述多层陶瓷电容器具有至少5焦耳每立方厘米的能量存储容量。6.如权利要求1所述的多层陶瓷电容器，其中所述多层陶瓷电容器具有至少10焦耳每立方厘米的能量存储容量。7.如权利要求1所述的多层陶瓷电容器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：法蒂·多甘，伊恩·伯恩，艾伦·德沃，
申请(专利权)人：法蒂·多甘，伊恩·伯恩，艾伦·德沃，
类型：发明
国别省市：美国;US