一种高温稳定介质陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高温稳定介质陶瓷材料及其制备方法，所述高温稳定介质陶瓷材料具有榍石结构，其组成化学式为CaTi1‑xM10.5xM20.5xSiO5，其中M1和M2为金属离子，0＜x≤10%，优选3≤x≤5%。

【技术实现步骤摘要】
一种高温稳定介质陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及一种高温稳定介质陶瓷材料及其制备方法，特别涉及一种高温稳定的榍石结构多层陶瓷电容器电介质陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷材料

技术介绍
多层陶瓷电容器(MultilayerCeramicCapacitor，MLCC)作为隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路等的重要元件，大量应用于消费电子产品、无线通讯、汽车电子、武器装备等诸多领域。尤其是航空航天、石油钻探等领域都要求电子系统能够在极端苛刻的环境下正常稳定工作，这要求MLCC能够在200℃及以上的高温下工作。所以，探索开发高介电温度稳定的陶瓷电介质材料具有重要意义。研究最多的高温电容器介质材料是基于两种或两种以上铁电体或弛豫铁电体复合的介质材料。对于应用于200℃及以上的铁电体或弛豫铁电体陶瓷，以钙钛矿结构高介电常数材料为主要特征，虽然可以满足200℃的温度使用情况，但在当温度超过复合介质中的一种材料的居里温度以后，由于居里-外斯效应，介电常数会随着温度升降会有显著波动，这对于材料在高温下的长期稳定性有很大影响。线性介质的介电常数通常不受外加电场的影响。所以，虽然线性电介质通常具有相对较低的介电常数，由于其高的介电击穿强度和较大的带隙，可以获得高能量密度。因此，如果线性电介质能有好的高温稳定性，则有望获得能在高温下工作的性能优良的高储能密度的电容器介质材料。文献报导榍石结构材料Ca(Ti0.85Zr0.15)SiO5(AppliedPhysicsLetters，108，062902，2016)在300-780K之间具有优良的介电温度稳定性和电绝缘特性，该温度范围类相对介电常数约为43，介电损耗小于0.05，在523K以下材料的电阻高于1011Ω·cm，但榍石结构材料Ca(Ti0.85Zr0.15)SiO5的相对介电常数较低。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种高温稳定的电容器介质材料及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种高温稳定介质陶瓷材料，所述高温稳定介质陶瓷材料具有榍石结构，其组成化学式为CaTi1-xM10.5xM20.5xSiO5，其中M1和M2为金属离子，0＜x≤10％。本专利技术通过对榍石结构陶瓷等电价共掺杂获得相对高的介电常数，同时具有较小的介电损耗和高的绝缘电阻。通过与Ti离子不同离子半径的M1和M2的掺杂，能够有效地平衡电价，并使晶格发生扭转。本专利技术还通过砂磨等方式改善晶粒尺寸，获得较大的击穿强度，从而获得较好的储能密度。此外，本专利技术采用Ti位的三价M1和五价M2等量掺杂，实现等电价共掺，避免榍石结构反铁电相的产生，提高了介质材料的介温稳定性。较佳地，采用两种金属离子M1和M2共同取代Ti离子，M1和M2两种金属离子平均电价之和为+4。较佳地，M1为Al、Ga、In三族金属元素中的至少一种，M2为Nb、Ta五族元素中的至少一种。本专利技术通过等量掺杂与Ti离子不同离子半径的三价M1和五价M2，能够有效地平衡电价，并使晶格发生扭转。此外，掺杂元素(M1为Al、Ga、In中的一种，M2是Nb、Ta中的一种)的加入还能抑制榍石结构材料的本征相变，使其在室温至300℃范围内获得稳定的介电性能。较佳地，所述高温稳定介质陶瓷材料在25～300℃下的介电常数为38～57，优选为47～53。较佳地，所述高温稳定介质陶瓷材料的耐压强度大于900kV/cm，优选为＞1000kV/cm。另一方面，本专利技术还提供了一种上述的高温稳定介质陶瓷材料的制备方法，包括：按照所述高温稳定介质陶瓷材料的组成化学式称取Ca源、Si源、Ti源、M1源、M2源粉并混合，得到混合粉体；将所得混合粉体在800～1200℃下预烧，得到预烧粉体；将所得预烧粉体和粘结剂，再经压制成型，得到坯体；将所得坯体经排胶后，在1250～1350℃下烧结2～6小时，得到所述高温稳定介质陶瓷材料。较佳地，所述Ca源为CaCO3、所述Si源为SiO2、所述Ti源为TiO2、所述M1源为M1的氧化物、所述M2源为M2的氧化物。较佳地，所述预烧的制度包括：先在800～1000℃下保温1～4小时，再于1100～1200℃下保温4～8小时；优选地，先在900℃下保温2小时，再升温至1150℃下保温6小时。本专利技术中通过两种元素的等电价共掺，以及制备过程中的两步预烧，所得高温稳定介质陶瓷材料具有宽温度稳定性和高耐压强度。较佳地，所述预烧的升温速率为2～5℃/分钟。较佳地，所述粘结剂为聚乙烯醇PVA、聚乙烯醇缩丁醛PVB中的至少一种；所述粘结剂的加入量为预烧粉体质量的6～8wt％。较佳地，所述压制成型的方式为干压成型和/等静压成型，优选先干压成型，再等静压成型；所述干压成型的压力为0.5～2MPa，所述等静压成型的压力为200～300MPa。较佳地，所述排胶的温度为450～650℃，时间为0.5～2小时。较佳地，所述排胶的升温速率为2～5℃/分钟；所述烧结的升温速率为3～5℃/分钟。本专利技术的有益效果是：通过调整Ti/(M1-M2)的比例，制得了纯相(M1-M2)共掺榍石结构陶瓷，在25℃至300℃温度范围内获得较好的电容温度系数。室温下，能获得较大的击穿强度及储能密度，在25℃至180℃温度范围内能都保证良好的储能效率。附图说明图1为实施例1-4及对比例1制备的高温稳定介质陶瓷材料在室温条件下的XRD图谱，从图中可知，所有实施例及对比例都形成了纯CaTiSiO5相，但当x＝0及x＝0.5％时，出现反铁电CaTiSiO5相中的和特征峰，其余特征峰为顺电相。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。本专利技术中，通过对榍石结构CaTiSiO5材料Ti位等电价共掺杂，在平衡化合价的基础上，提高其的介电常数并保持其它性能，从而获得高的储能密度和电容器容量密度。其中，高温稳定介质陶瓷材料的组成化学式可为CaTi1-xM10.5xM20.5xSiO5，其中M1为Al、Ga、In中的一种，M2是Nb、Ta中的一种，0＜x≤10％。当x取值超过10％，所得材料的缺陷增多，其介电常数明显下降且耐压强度大幅度减小。进一步优选，x为3％～5％。在可选的实施方式中，高温稳定介质陶瓷材料在25℃～300℃下的介电常数为47～57。在本专利技术一实施方式中，通过固相反应方法制备高温稳定介质陶瓷材料。以下示例性地说明高温稳定介质陶瓷材料的制备方法。按照摩尔比1：1：(1-x)：0.5x：0.5x称量Ca源、Si源、Ti源、Al源、Nb源并混合，得到混合粉体。其中，Ca源为CaCO3。Si源可为SiO2。Ti源可为TiO2。M1源可为M1的氧化物(例如，Al2O3、Ga2O3、In2O3)。所述M2源为M2的氧化物(例如，Nb2O3、Ta2O3)。混合的方式可为球磨混合。优选，在球磨混合后进行烘干处理、过筛，得到混合粉体。作为一个示例，按照摩尔比称量CaCO3、SiO2、TiO2、Al2O3、Nb2O5粉料为原料配制成混合料，然后向该混合料中加入球磨助剂充分球磨后烘干，将烘干后的混合料进行充分研磨后过60目筛，得到混合粉体。将混合粉体在900℃以上(例如900～1150℃)进行预烧处理。优选，采用两次预烧，先在900～10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温稳定介质陶瓷材料，其特征在于，所述高温稳定介质陶瓷材料具有榍石结构，其组成化学式为CaTi1‑xM10.5xM20.5xSiO5，其中M1和M2为金属离子，0＜x≤10%，优选3≤x≤5%。

【技术特征摘要】
1.一种高温稳定介质陶瓷材料，其特征在于，所述高温稳定介质陶瓷材料具有榍石结构，其组成化学式为CaTi1-xM10.5xM20.5xSiO5，其中M1和M2为金属离子，0＜x≤10%，优选3≤x≤5%。2.根据权利要求1所述的高温稳定介质陶瓷材料，其特征在于，采用两种金属离子M1和M2共同取代Ti离子，M1和M2两种金属离子平均电价之和为+4。3.根据权利要求2所述的高温稳定介质陶瓷材料，其特征在于，M1为Al、Ga、In三族金属元素中的至少一种，M2为Nb、Ta五族元素中的至少一种。4.根据权利要求1-3中任一项所述的高温稳定介质陶瓷材料，其特征在于，所述高温稳定介质陶瓷材料在25～300℃下的介电常数为38～57，优选为47～53。5.根据权利要求1-4中任一项所述的高温稳定介质陶瓷材料，其特征在于，所述高温稳定介质陶瓷材料的耐压强度大于900kV/cm，优选为＞100...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志甫，彭笑笑，李永祥，
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