一种大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料及其制备方法和应用，所述氧化钛基介质陶瓷材料的组成配方包括：a CaTiO3+b SrTiO3+c TiO2+d Al2TiO5+e SiO2，其中a、b、c、d、e为各组分的摩尔百分比，15≤a≤35mol%，0≤b≤2mol%，30≤c≤84mol%，0.5≤d≤25 mol%，0.5≤e≤15 mol%，a+b+c+d+e=100 mol%。

Large size and high electrical resistance titanium oxide based dielectric ceramic material and preparation method and application thereof

The invention relates to a large size and high electric strength titanium oxide dielectric ceramic material and its preparation method and application. The composition formula of the titanium oxide based dielectric ceramic material includes: a CaTiO3+b SrTiO3+c TiO2+d Al2TiO5+e SiO2, of which a, B, C, D, e are the Moll percentages of each component, 15 < < < < < > > < < < L%, 30 or less than C 84mol%, 0.5 or less than 25 D mol%, 0.5 0.5 e or 15 mol%, a+b+c+d+e=100 mol%.

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料及其制备方法和应用，属于电子陶瓷材料

技术介绍
固态重复频率脉冲技术在军事(强脉冲激光、高功率微波、电磁脉冲武器等)、科学研究(粒子束惯性约束聚变、电子束加速器、强X射线技术等)、工业(化学工业、石油工业等)，以及生物医学和环境保护等诸多领域显示出十分诱人的应用前景。因此，固态传输介质受到国际科技界的广泛关注。当前的固态传输介质有三种：有机物+陶瓷颗粒复合材料、玻璃陶瓷和陶瓷三种。有机物通常具有非常高的耐电强度(≥100kV/mm)，有机物+陶瓷颗粒复合材料也相应具有高的耐电强度，但因有机和无机材料界面不匹配同时存在热膨胀系数差异很大，其介电损耗很大，且介电性能随温度和频率变化明显。玻璃陶瓷虽然耐电强度和介电常数相对较高，但是存在介电性能和力学性能稳定性差、界面极化导致实际储能密度偏低等问题。陶瓷介质具有介电常数高且可调、介电损耗低、放电速度快、使用温度范围宽、耐腐蚀等优点，是固态传输介质的首先材料，但传统的陶瓷体系其耐电强度相对较低。如典型的TiO2陶瓷，常温下介电常数90，但其耐电强度只有25kV/mm，满足不了实际应用的需要。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种兼具高耐电强度、适中介电常数、低介电损耗且介电性能随温度和频率稳定性好的介质陶瓷体系。一方面，本专利技术提供了一种大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料，所述氧化钛基介质陶瓷材料的组成配方包括：aCaTiO3+bSrTiO3+cTiO2+dAl2TiO5+eSiO2，其中a、b、c、d、e为各组分的摩尔百分比，15≤a≤35mol％，0≤b≤2mol％，30≤c≤84mol％，0.5≤d≤25mol％，0.5≤e≤15mol％，a+b+c+d+e＝100mol％。本专利技术中，所述氧化钛基介质陶瓷材料的组成配方为：aCaTiO3+bSrTiO3+cTiO2+dAl2TiO5+eSiO2(15≤a≤35mol％，0≤b≤2mol％，30≤c≤84mol％，0.5≤d≤25mol％，0.5≤e≤15mol％)。CaTiO3、SrTiO3和TiO2陶瓷材料是当前最经典的三种材料，它们具有相当高的介电常数和较好的耐电强度。CaTiO3陶瓷介电常数～110，耐电强度20kV/mm；SrTiO3陶瓷介电常数～300，耐电强度10kV/mm；TiO2介电常数～90，耐电强度25kV/mm。Al2TiO5虽然介电常数不高，但力学强度很高，在氧化钛基的陶瓷基体中可以起到钉扎作用。SiO2的介电常数～4，其耐电强度非常高～480kV/mm，同时具有优异的介电频率稳定性，另外，它可作为烧结助剂，降低烧结温度，提高陶瓷的致密度和力学强度，从而增强陶瓷整体的耐电强度。这样利用氧化钛基材料的高的介电常数，氧化硅和钛酸铝低的介电常数，材料的介电常数可以实现在很宽范围内调节。通过改变这五种化合物的化学计量比结合最优热处理工艺，可望实现介电常数在宽范围内调节，耐电强度(抗电强度)高，且介电常数和介电损耗的温度、频率稳定性良好。介电常数的大小决定脉冲发生器输出的脉冲宽度，耐电强度决定了应用器件的最终加速场强和高压承受能力，良好的稳定性是保证脉冲输出波形稳定的必要条件，从而确保脉冲系统的正常运行。较佳地，所述的氧化钛基介质陶瓷材料可至少实现一个维度上的尺寸≥300mm，优选为＞400mm。较佳地，所述氧化钛基介质陶瓷材料的耐击穿强度为40～48kV/mm，介电常数在50～150可调，介电损耗＜0.003。另一方面，本专利技术还提供了一种如上述的大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料的制备方法，包括：按照化学组成称取Ca源、Ti源、Sr源、Si源和Al源混合并进行预烧，得到混合粉体；将粘结剂加入所得混合粉体中后喷雾造粒，并压制成型，得到生坯；将所得生坯在1220～1350℃下进行烧结，得到所述大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料。较佳地，所述Ca源为CaO、CaCO3和CaTiO3中的至少一种，所述Ti源为TiO2、SrTiO3、AlTiO3、CaTiO3中的至少一种，所述Sr源为SrO、SrTiO3和SrCO3中的至少一种，所述Si源为SiO2，所述Al源为Al2O3或/和Al2TiO5。较佳地，所述预烧的温度为1000℃～1150℃，时间为2～12小时。其中，预烧时间随配制粉体的质量增加而延长。较佳地，所述混合粉体的粒径为0.2～1μm。较佳地，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛和甲基纤维素中的至少一种，加入量为混合粉体总质量的0.2～1wt％，优选为0.5～1wt％。较佳地，所述成型方式为等静压成型，所述等静压成型的压力为180～300MPa。较佳地，所述烧结时间为2～24小时。第三方面，本专利技术还提供了一种如上所述的尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料在制备小容量高频电容器中的应用。第四方面，本专利技术还提供了一种如上所述的尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料在制备脉冲形成线中的应用。与现有技术相比，本专利技术采用传统固相法制得了大尺寸(所述氧化钛基介质陶瓷材料在至少一个维度上的尺寸高达300mm，例如：长达300mm，宽达15mm，厚度达3mm的长方体)介质陶瓷材料，且所制得的介质陶瓷材料的耐击穿强度可达到48kV/mm，介电常数可达到50～250，介电损耗小于0.003，非常适用于制作小容量高频电容器，固态脉冲形成线，基板等，可应用于脉冲发生器、移相器、滤波器、振荡器、共振器及相控阵天线等电子设备；且所述材料具有频率稳定性好、耐高压、无铅环保、制备工艺简单等优点，具有显著性应用价值。附图说明图1为本专利技术实施例1-4制备的陶瓷微波性能标准片照片；图2为本专利技术实施例1-4制备的陶瓷介电常数/介电损耗标准片照片；图3为本专利技术实施例1-4制备的陶瓷介电强度标准片照片；图4为本专利技术实施例1制备的长方体陶瓷片；图5为本专利技术实施例1制备的陶瓷材料的断面抛光热腐蚀微观形貌图；图6为本专利技术实施例1制备的陶瓷标准片的介电频谱图；图7为本专利技术实施例1制备的长方体陶瓷片的介电频谱图；图8为本专利技术实施例1制备的陶瓷标准片的介电强度随电压变化图；图9为本专利技术实施例1制备的陶瓷标准片介电强度随厚度的变化图；图10为本专利技术实施例2制备的陶瓷标准片的介电频谱图；图11为本专利技术实施例3制备的陶瓷标准片的介电频谱图；图12为本专利技术实施例4制备的陶瓷标准片的介电频谱图；图13为本专利技术实施例1-4制备的陶瓷XRD图谱。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术针对现有技术所存在的问题和市场需求，本专利技术了提供一种高电压下可供储能和脉冲成形的大尺寸氧化钛基介质陶瓷材料，包括如下组成配方：aCaTiO3+bSrTiO3+cTiO2+dAl2TiO5+eSiO2，其中a、b、c、d、e为各组分的摩尔百分比，15≤a≤35mol％，0≤b≤2mol％，30≤c≤84mol％，0.5≤d≤25mol％，0.5≤e≤15mol％，a+b+c+d+e＝100mol％。本专利技术制备的氧化钛基介质陶瓷材料的耐击穿强度可达到40-48kV/mm，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料，其特征在于，所述氧化钛基介质陶瓷材料的组成配方包括：a CaTiO3+b SrTiO3+c TiO2+d Al2TiO5+e SiO2，其中a、b、c、d、e为各组分的摩尔百分比，15≤a≤35mol%，0≤b≤2mol%，30≤c≤84mol%，0.5≤d≤25 mol%，0.5≤e≤15 mol%，a+b+c+d+e=100 mol%。

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料，其特征在于，所述氧化钛基介质陶瓷材料的组成配方包括：aCaTiO3+bSrTiO3+cTiO2+dAl2TiO5+eSiO2，其中a、b、c、d、e为各组分的摩尔百分比，15≤a≤35mol%，0≤b≤2mol%，30≤c≤84mol%，0.5≤d≤25mol%，0.5≤e≤15mol%，a+b+c+d+e=100mol%。2.根据权利要求1所述的氧化钛基介质陶瓷材料，其特征在于，所述氧化钛基介质陶瓷材料的耐击穿强度为40～48kV/mm，介电常数在50～150可调，介电损耗＜0.003。3.根据权利要求1或2所述的氧化钛基介质陶瓷材料，其特征在于，所述的氧化钛基介质陶瓷材料在至少一个维度上的长度为≥300mm。4.一种如权利要求1-3中任一项所述的大尺寸高耐电强度氧化钛基介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：按照化学组成称取Ca源、Ti源、Sr源、Si源和Al源混合并进行预烧，得到混合粉体；将粘结剂加入所得混合粉体中后喷雾造粒，并压制成型，得到生坯；将所得生坯在1220～...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈莹，张文斌，李鑫，江峰，黄叶，董显林，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31