[发明专利]一种具有高介电常数、低介电损耗的玻璃陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高介电常数、低介电损耗的玻璃陶瓷及其制备方法，该玻璃陶瓷适合用作交流高压电容器介质。

背景技术

交流高压电容器是高压输电、交流高压设备中不可缺少的电子元件之一。随着高压设备小型化、轻型化的发展，对高压电容器提出了更加苛刻的要求，除了要求其具有高耐压强度，还要求具有尽可能小的介质损耗。

玻璃陶瓷作为一类新型电容器介质，具有其他烧结陶瓷无法比拟的优势，它采用完全不同于烧结陶瓷的制备工艺，通过高温熔融-快速冷却，制备出完全致密的玻璃基体，然后在一定温度下保温，析出高介电常数的陶瓷相，通过该工艺制备的玻璃陶瓷完全消除了孔隙，实现了高的直流击穿场强，通常可达到40～50kV/mm，是烧结铁电陶瓷的5～6倍，在高压直流陶瓷电容器领域展现出了良好的应用前景。但是玻璃陶瓷作为一种新型电容器复合介质，也存在不足之处。玻璃陶瓷一般具有较大的损耗，这主要是由于玻璃相中的碱金属离子以及复合材料中的空间电荷等造成，限制了其在交流环境中的应用。另外，玻璃陶瓷作为一种复合材料，是由高介电常数陶瓷相和低介电常数的玻璃相构成，玻璃相的含量通常占到复合材料体积分数的30％～50％，甚至更高，这就大大限制了复合材料的有效介电常数，一般很难获得与烧结铁电陶瓷相近的高介电常数。对于相同工作电压、容量的电容器来讲，电容器介质的介电常数越低，介质的厚度就需要做得很薄，在相同的工作电压下，介质承担的工作场强就越高，介质中的损耗会随着电场强度的增加而急剧增大，从而降低了电容器的可靠性和寿命。

目前常见的玻璃陶瓷材料，如钛酸钡体系玻璃陶瓷、铌酸盐体系玻璃陶瓷，均具有较高的介电损耗，通常在1％～5％范围内，介电常数通常在200～800之间。因此，为了适应交流高压环境，有必要发展具有更高介电常数、更低介电损耗的玻璃陶瓷材料体系。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高介电常数、低介电损耗的玻璃陶瓷。

本发明的另一目的在于提供一种上述玻璃陶瓷的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种具有高介电常数、低介电损耗的玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷的化学成分组成为：xPbO-ySrO-zNb₂O₅-wNa₂O-vSiO₂-tR，其中的x、y、z、w、v、t表示各成分的摩尔比例，分别为：4≤x≤8，8.4≤y≤15，27≤z≤36，13.5≤w≤18，28≤v≤46，0.5≤t≤5，R为La₂O₃、Lu₂O₃、Pr₆O₁₁和Sm₂O₃中的一种。

本发明的玻璃陶瓷以铌酸盐体系玻璃陶瓷为基体，向其中添加稀土氧化物成分R对其进行改性，稀土氧化物的添加能进一步提高玻璃陶瓷基体的介电常数，并进一步降低介电损耗。

一种上述玻璃陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照玻璃陶瓷中各成分的摩尔比例称取以下原料：PbO；SrCO₃和Sr(NO₃)₂中的任意一种；Nb₂O₅；Na₂CO₃、NaOH和NaNO₃中的任意一种；SiO₂；以及稀土氧化物R，利用翻转混料机将原料混合4～7个小时，然后将混合均匀的原料在1300～1450℃的高温下保温2～3个小时形成熔融的玻璃液；

(2)将熔融的玻璃液快速倒入提前预热至400～550℃的金属模具中，成型后放入退火炉中进行去应力退火，制备得到玻璃片；

(3)将玻璃片进行可控结晶热处理，处理工艺为：首先在600～700℃温度范围内保温2～3个小时，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到800～1000℃保温2～3个小时使晶核均匀长大，得到玻璃陶瓷。

所述步骤(2)制备玻璃片的方法还可以是：将熔融的玻璃液倒入转动的压延机两滚轴之间，轧制得到玻璃片。

所述玻璃片的厚度为1～2mm。

本发明的优点是：

本发明的玻璃陶瓷为铌酸盐体系玻璃陶瓷，具有高介电常数(介电常数为400～1400)、低介电损耗(介电损耗为0.003～0.008)，适合用作交流高压电容器介质。

具体实施方式