一种高梯度高介电低损耗压敏材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高梯度高介电低损耗压敏材料的制备方法，属于高介电陶瓷材料的技术领域。本发明专利技术制备方法以ＣａＣＯ３或ＣａＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ２以及ＰｂＯ为原料，称量后置于球磨罐中混磨，将混磨后的物料在预烧后随炉冷却；将预烧之后的物料敲碎，置于球磨罐中以酒精为研磨介质研磨，干燥，采用压片成型工艺，将粉料制成具有所需形状和强度的坯体；在空气气氛中烧结坯体，使陶瓷烧结致密。本发明专利技术方法使ＰｂＯ分布在ＣＣＴＯ的晶界上，并有效减小晶粒大小，增加晶界电阻，从而降低了介电损耗，增加了电压梯度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高梯度高介电低损耗压敏材料的制备方法，尤其涉及一种高梯度高介电低损耗CCTO基压敏材料的制备方法，属于高介电陶瓷材料的

技术介绍
钛酸铜钙，化学式CaCu3Ti4O12(以下简称CCTO)是一种新型陶瓷材料，由于在2000年被发现有极大的介电常数而受到了广泛的关注。由于其巨介电特性和压敏特性，CCTO可以应用在压敏保护器件，高介电电容器，薄膜器件，高密度能量存储等一系列高科技领域。但是，CCTO具有的一些性质阻碍了其在工业生产中的应用。首先，CCTO的漏电流太大。CCTO的介电损耗太大，以已有工艺制备的样品的损耗在大部分频率范围内都在0.1以上(附图1)。漏电流和介电损耗过大的主要效应是会消耗电能而导致器件的大量发热。这对微型化和集成化的电子器件来说是不可接受的。其次，CCTO的压敏电压梯度只有约30V/mm，较小的压敏电压限制了其作为压敏保护器件在高压领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种高梯度高介电低损耗压敏材料的制备方法，配方采用PbO掺杂CCTO，使用固相反应烧结，使PbO分布在CCTO晶界上，增加晶界电阻，减小晶粒，从而达到增加压敏电压梯度，减小介电损耗和漏电流的目的使制备的压敏材料的压敏电压梯度从100V/mm至600V/mm连续可调，相对介电常数在104左右，在103Hz至105Hz范围内的介电损耗在0.1以下，从而使该材料体系更适于工业应用。本专利技术提出的高梯度高介电低损耗压敏材料的制备方法，包括以下步骤：(1)原料配制和混合：以CaCO3或CaO、CuO、TiO2以及PbO为原料，各原料的质量比为：CaCO3∶CuO∶TiO2∶PbO＝1∶(2.27～2.50)∶(3.03～3.35)∶(0.1～0.85)，或CaO∶CuO∶TiO2∶PbO＝1∶(4.05～4.48)∶(5.42～5.99)∶(0.18～1.52)；将各原料按上述质量比称量后置于球磨罐中混磨10～24小时；(2)预烧和研磨：将混磨后的物料在800℃至900℃下预烧2～12小时，随炉冷却；将预烧之后的物料敲碎，置于球磨罐中以酒精为研磨介质研磨12～24小时，将研磨后的浆料置于干燥箱中干燥，过100～200目筛；(3)成型：采用压片成型工艺，将预烧和研磨后的粉料制成具有所需形状和强度的坯体；(4)烧结：在空气气氛中烧结坯体，升温速度为：从室温至400℃，升温时间2小时；在400℃保温排胶2～4小时；从400℃升温到1000℃～1100℃，升温时间3～5小时；保温3～12-->小时，使陶瓷烧结致密。本专利技术提出的高梯度高介电低损耗压敏材料的制备方法，通过掺杂PbO，控制烧结工艺，使PbO分布在CCTO的晶界上，并有效减小晶粒大小，增加晶界电阻，从而大大降低了介电损耗，增加电压梯度；通过控制掺杂PbO的量可以控制压敏电压梯度的大小。由此为这种新材料的工业化应用铺平了道路。用这种工艺生产的材料的相对介电常数在104左右，在103Hz至105Hz范围内的介电损耗在0.1以下(如图1所示)，压敏电压梯度在100V/mm到600V/mm之间连续可调(如图2所示)，从而使该材料体系更适于工业应用。附图说明图1是使用已有文献中工艺与本专利技术方法制备的CCTO陶瓷的介电损耗谱对比。图2是使用原有工艺与本专利技术方法制备的材料的直流IV特性对比。图3是本专利技术制备方法的实施例1中陶瓷的烧结温度曲线。具体实施方式本专利技术提出的高梯度高介电低损耗压敏材料的制备方法，包括以下步骤：(1)原料配制和混合：以CaCO3或CaO、CuO、TiO2以及PbO为原料，各原料的质量比为：CaCO3∶CuO∶TiO2∶PbO＝1∶(2.27～2.50)∶(3.03～3.35)∶(0.1～0.85)，或CaO∶CuO∶TiO2∶PbO＝1∶(4.05～4.48)∶(5.42～5.99)∶(0.18～1.52)；将各原料按上述质量比称量后置于球磨罐中混磨10～24小时；(2)预烧和研磨：将混磨后的物料在800℃至900℃下预烧2～12小时，随炉冷却；将预烧之后的物料敲碎，置于球磨罐中以酒精为研磨介质研磨12～24小时，将研磨后的浆料置于干燥箱中干燥，过100～200目筛；(3)成型：采用压片成型工艺，将预烧和研磨后的粉料制成具有所需形状和强度的坯体；(4)烧结：在空气气氛中烧结坯体，升温速度为：从室温至400℃，升温时间2小时；在400℃保温排胶2～4小时；从400℃升温到1000℃～1100℃，升温时间3～5小时；保温3～12小时，使陶瓷烧结致密。以下介绍本专利技术制备方法的实施例。实施例1按照本专利技术制备方法，进行高梯度高介电低损耗CCTO基压敏陶瓷的实际制备。按照此工艺制备的材料压敏电压梯度在300V/mm左右。(1)原料配制和混合：该CCTO材料采用CaO、CuO、TiO2作为初始原料，各原料质量之比为CaO∶CuO∶TiO2∶PbO＝1∶4.26∶5.71∶0.36。将原料置于球磨罐中干磨24小时。-->(2)预烧和研磨：将干燥后的物料置于高温电炉中，在900摄氏度下预烧2小时。随炉冷却。预烧之后粉体结块。将预烧之后的硬块敲碎置于球磨罐中，以酒精为研磨介质研磨24小时。将研磨后的浆料置于干燥箱中进行干燥，干燥后过100目筛。(3)成型：采用压片成型工艺，将干燥造粒后的颗粒料压片成型。(4)烧结：用高温电炉在空气气氛中烧结坯体，具体温度和控制时间如下：从室温至400℃，升温时间2小时；在400℃保温排胶2小时；从400℃至1000℃，升温时间3小时；在烧结温度1000℃保温3小时；随炉冷却。实施例2按照本专利技术介绍的制备方法，进行高梯度高介电低损耗CCTO基压敏陶瓷的实际制备。按照此工艺制备的材料压敏电压梯度在100V/mm左右。(1)原料配制和混合：该CCTO材料采用CaCO3、CuO、TiO2作为初始原料，各原料质量之比为CaCO3∶CuO∶TiO2∶PbO＝1∶2.385∶3.193∶0.1。将原料置于球磨罐中，以酒精为研磨介质混磨12小时。将球磨后的浆料置于干燥箱中进行干燥。(2)预烧和研磨：将干燥后的物料置于高温电炉中，在900摄氏度下预烧4小时。随炉冷却。预烧之后粉体结块。将预烧之后的硬块敲碎置于球磨罐中，以酒精为研磨介质研磨12小时。将研磨后的浆料置于干燥箱中进行干燥，干燥后过200目筛。(3)成型：采用压片成型工艺，将干燥造粒后的颗粒料压片成型。(4)烧结：用高温电炉在空气气氛中烧结坯体，烧结曲线见附图3，具体温度和控制时间如下：从室温至400℃，升温时间2小时；在400℃保温排胶2小时；从400℃至1050℃，升温时间4小时；在烧结温度1050℃保温6小时；随炉冷却。实施例3按照本专利技术介绍的制备方法，进行高介电低损耗CCTO陶瓷的实际制备。按照此工艺制备的材料压敏电压梯度在600V/mm左右。(1)原料配制和混合：该CCTO材料采用CaCO3、CuO、TiO2作为初始原料，各原料质量之比为CaCO3∶CuO∶TiO2＝1∶2.50∶3.35∶0.85。-->将原料置于球磨罐中，以酒精为研磨介质混磨12小时。将球磨后的浆料置于干燥箱中进行干燥。(2)预烧和研磨：将干燥后的物料置于高温电炉中，在80本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高梯度高介电低损耗压敏材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：　　（１）原料配制和混合：　　以ＣａＣＯ↓［３］或ＣａＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ↓［２］以及ＰｂＯ为原料，各原料的质量比为：　　ＣａＣＯ↓［３］∶ＣｕＯ∶ＴｉＯ↓［２］∶ＰｂＯ＝１∶（２．２７～２．５０）∶（３．０３～３．３５）∶（０．１～０．８５），或ＣａＯ∶ＣｕＯ∶ＴｉＯ↓［２］∶ＰｂＯ＝１∶（４．０５～４．４８）∶（５．４２～５．９９）∶（０．１８～１．５２）；　　将各原料按上述质量比称量后置于球磨罐中混磨１０～２４小时；　　（２）预烧和研磨：　　将混磨后的物料在８００℃至９００℃下预烧２～１２小时，随炉冷却；　　将预烧之后的物料敲碎，置于球磨罐中以酒精为研磨介质研磨１２～２４小时，将研磨后的浆料置于干燥箱中干燥，过１００～２００目筛；　　（３）成型：　　采用压片成型工艺，将预烧和研磨后的粉料制成具有所需形状和强度的坯体；　　（４）烧结：　　在空气气氛中烧结坯体，升温速度为：从室温至４００℃，升温时间２小时；在４００℃保温排胶２～４小时；从４００℃升温到１０００℃～１１００℃，升温时间３～５小时；保温３～１２小时，使陶瓷烧结致密。...

【技术特征摘要】
1.一种高梯度高介电低损耗压敏材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)原料配制和混合：以CaCO3或CaO、CuO、TiO2以及PbO为原料，各原料的质量比为：CaCO3∶CuO∶TiO2∶PbO＝1∶(2.27～2.50)∶(3.03～3.35)∶(0.1～0.85)，或CaO∶CuO∶TiO2∶PbO＝1∶(4.05～4.48)∶(5.42～5.99)∶(0.18～1.52)；将各原料按上述质量比称量后置于球磨罐中混磨10～24小时；(2)预烧和研磨：...

【专利技术属性】
技术研发人员：雒风超，何金良，胡军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]