一种高容量陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高容量陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法，属于材料技术领域；本发明专利技术的高容量陶瓷介电材料括以下组分：钛酸钡、烧结助剂、抗还原剂和稀土元素的氧化物，以所述高容量陶瓷介电材料总摩尔计，钛酸钡的摩尔百分数为91.0

【技术实现步骤摘要】
一种高容量陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料
，尤其涉及一种高容量陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]多层陶瓷电容器(MLCC)广泛用于通讯设备、汽车电子、产业机器、医疗机器等领域的通信基础设备电路中；由于终端配置功能的增多，使电池容量变大，所以对大容量电池进行稳定快速的充电，需要配置大容量、高品质的MLCC；部分电子回路通过使用大容量规格以减少MLCC的数量，因此对大容量有着较高要求；近年来随着汽车电子化、电动车的发展，车规MLCC需求大涨。车用MLCC由于没有对尺寸上午过多限制，型号范围很广，但其可靠性要求变得极为重要，对温度、环境要求严苛，对MLCC寿命及可靠性提出了更高要求。这也是各大厂商的另一重要发展方向。因此，未来MLCC的高可靠度要求也将会不断提升。
[0003]开发高容量的MLCC，即在一定体积内提升电容量，需要合成高四方性的钛酸钡超细粉体、减小电介质层厚度、增加MLCC内部的叠层数；电介质层更薄，其耐击穿性会发生大幅度的下降。并且膜厚均匀度难以控制，也将导致耐电压或可靠性下降的问题；为了兼顾高介电常数和高击穿强度，需要同时提升介电材料的介电常数和电阻率，需要精细控制掺杂元素的使用种类和添加量。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种具有高电容率、高介电常数和高电阻率的一种高容量陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种高容量陶瓷介电材料，所述高容量陶瓷介电材料包括以下组分：钛酸钡、烧结助剂、抗还原剂和稀土元素的氧化物，以所述高容量陶瓷介电材料总摩尔计，钛酸钡的摩尔百分数为91.0
‑
95.0％；所述烧结助剂包括Al2O3、SiO2和MgO，所述稀土元素的氧化物包括Sc2O3、Eu2O3、Ho2O3和Tm2O3。
[0006]本专利技术提供的高容量陶瓷介电材料选择稀土元素的氧化物做掺杂剂，对钛酸钡进行改性，并添加烧结助剂和抗还原剂来细化颗粒，从而制备得到高电容、高电阻率和高介电常数的陶瓷介电材料；本专利技术选用Sc、Eu、Ho和Tm的氧化物形式作为主体材料钛酸钡的掺杂元素，一方面能够提供高四方性的陶瓷介电材料粉体，从而使得制备得到的产品具有高容量特性和高电阻率特性，另一方面，选用的四种稀土元素的氧化物形成作为掺杂元素能够给产品带来优异的抗老化性；同时，加入的烧结助剂Al2O3、SiO2和MgO能够很好的配合细化钛酸钡粉体并且能够在后续烧结的过程中以液体的形式包裹形成的晶体，避免晶体的过分长大，进而保证材料的致密性，提升产品的容量和介电常数；并且本专利技术选择钛酸钡作为高容量陶瓷介电材料的钡系主体原料，能够降低工艺复杂程度、节约成本。
[0007]作为本专利技术所述高容量陶瓷介电材料的优选实施方式，以高容量陶瓷介电材料的总摩尔计，Al2O3占比为0.8
‑
2.4％、SiO2占比为1.0
‑
2.6％、MgO占比为0.5
‑
1.0％、Sc2O3占比
为0.3
‑
0.6、Eu2O3占比为0.4
‑
2.0％、Ho2O3占比为0.2
‑
0.6、Tm2O3占比为0.2
‑
0.5％。
[0008]当选用的烧结助剂Al2O3、SiO2和MgO在上述范围内时，一方面能够避免烧结助剂加量过少导致的晶体粒度过大，而导致后期制备陶瓷电容器时的晶粒过大，使得介电层厚度增加，降低电容量和电阻率，另一方面，也能避免烧结助剂加量过多导致后期制备得到的电容器的电容温度变化率特性变差。
[0009]稀土元素的氧化物中，Ho和Tm两个元素处于相邻位置，在钛酸钡的取代中机制比较相似，取代Ti位后较大的离子半径能够使得钛酸钡的晶格参数增加，一方面，Ho
3+
的取代会导致四方形的降低和晶粒长大程度的降低，然而，Ho2O3和Tm2O3共掺所引起的两性取代可以弥补这个影响，并且Tm
3+
相对较小，因此主要占据Ti位，在这种共掺杂体系中，比Ho
3+
离子半径更小的Tm
3+
离子可以补偿钙钛矿结构中Ho取代引起的不稳定温度稳定性；即Ho和Tm两种不同的稀土元素掺杂，其得到的四方性较大且稳定性较高，从而能够实现高电容；另一方面，Ho在取代Ba时，能够还原Ti离子并形成传导电子，从而保持电中性，并且其能溶解在Ba和Ti位的两个位点，因此，能够控制四方性的增长幅度，Tm在掺杂时还能进一步形成“芯
‑
壳”结构，上述两者都能够进一步稳定被掺杂后形成的四方性的稳定性；
[0010]稀土元素的氧化物中，Eu和Sc的加入能够起到抗老化作用，原本是施主的Eu
+3
离子可部分转化为亚稳态的Eu
+2
受体离子，那么缺陷从电子型Ti空位变为非电子型Ti空位，自由电子的减少，降低了损耗，提升了绝缘电阻，并且减少Ti离子还原造成的氧空位，提高器件的抗老化性能；另一方面，一定摩尔百分数的Eu的还能够配合烧结助剂，提升产品的致密度，防止晶粒的过度生长；不过若Eu的加入量过多，则会在烧结的过程中形成第二相，反而降低致密度；一定摩尔百分数的Sc除了能够和Eu配合提升产品的抗老化作用外，还能够配合MgO提升烧结过程中的传质效果，帮助致密化，降低产品的介电损耗，提高产品在常温下的绝缘电阻。
[0011]因此，本专利技术添加的烧结助剂、稀土元素的氧化物之间是协同作用的，并且经研究发现，当各组分的添加量在上述范围内时，制备得到的高容量介电材料应用于陶瓷电容器的制备时，得到的陶瓷电容器具有高容量、高介电常数、高电阻率且具有优异的抗老化特性。
[0012]作为本专利技术所述高容量陶瓷介电材料的优选实施方式，所述抗还原剂包括V2O5或Mn2O5，以所述高容量陶瓷介电材料总摩尔计，抗还原剂占比为0.5
‑
1％。
[0013]作为本专利技术所述高容量陶瓷介电材料的优选实施方式，所述抗还原剂包括V2O5。
[0014]加入的V2O5中的V元素能够取代钛酸钡中的Ti位，从而抑制氧空位的产生，提高剩余极化强度，也能降低介质损耗。
[0015]作为本专利技术所述高容量陶瓷介电材料的优选实施方式，所述钛酸钡的粒径为150
‑
180nm。
[0016]当优选的钛酸钡的粒径在上述范围内时，能够保证后续制备得到陶瓷晶粒在150
‑
200nm之间，从而能够使得产品容易堆叠较多的层数，进而进一步增加产品的电容，实现高电容的特性。
[0017]作为本专利技术所述高容量陶瓷介电材料的优选实施方式，所述陶瓷介电材料包括以下摩尔质量百分数的组分：钛酸钡92.0
‑
95.0％、Al2O30.8
‑
1.4％、SiO21.0
‑
1.6％、MgO 0.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高容量陶瓷介电材料，其特征在于，所述高容量陶瓷介电材料包括以下组分：钛酸钡、烧结助剂、抗还原剂和稀土元素的氧化物，以所述高容量陶瓷介电材料总摩尔计，钛酸钡的摩尔百分数为91.0
‑
95.0％；所述烧结助剂包括Al2O3、SiO2和MgO，所述稀土元素的氧化物包括Sc2O3、Eu2O3、Ho2O3和Tm2O3。2.根据权利要求1所述的高容量陶瓷介电材料，其特征在于，以高容量陶瓷介电材料的总摩尔计，Al2O3占比为0.8
‑
2.4％、SiO2占比为1.0
‑
2.6％、MgO占比为0.5
‑
1.0％、Sc2O3占比为0.3
‑
0.6、Eu2O3占比为0.4
‑
2.0％、Ho2O3占比为0.2
‑
0.6、Tm2O3占比为0.2
‑
0.5％。3.根据权利要求1所述的陶瓷介电材料，其特征在于，所述抗还原剂包括V2O5或Mn2O5，以所述高容量陶瓷介电材料总摩尔计，抗还原剂占比为0.5
‑
1％。4.根据权利要求1所述的陶瓷介电材料，其特征在于，所述钛酸钡的粒径为150
‑
180nm。5.根据权利要求3所述的陶瓷介电材料，其特征在于，所述陶瓷介电材料包括以下摩尔质量百分数的组分：BaTiO392.0
‑
95.0％、Al2O30.8
‑
1.4％、SiO21.0
‑
1.6％、MgO 0.5
‑
0.8％、V2O50.8
‑
1.0％、Sc2O30.3
‑
0.6％、Eu...

【专利技术属性】
技术研发人员：付振晓，孙蓉，张蕾，刘伟峰，于淑会，曹秀华，厉琨，王朋飞，
申请(专利权)人：深圳先进电子材料国际创新研究院，
类型：发明
国别省市：