[发明专利]一种无铅高介电常数储能介质陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及储能介质陶瓷技术领域，具体涉及一种无铅高介电常数储能介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着现代科技的发展，人们对高压陶瓷电容器提出了更高的要求，不仅要有高的耐压强度，还要求具有高相对介电常数、低损耗、高储能密度等特点，以利于实现电子器件的小型化和集成化。

一些用于高压陶瓷电容器的铅基材料虽然各方面性能优越,但铅的毒性较大，在生产、使用过程中会对人体、环境造成一定的危害，同时铅的挥发还会导致电容器性能不稳定。欧盟和我国均已颁布了相关法律和条例，开始实施电子陶瓷的无铅化管制。因此，实现电容器瓷料的绿色化，已成为顺应社会可持续发展的必然趋势。

BaTiO₃是一种具有高介电常数的储能介质材料，由液相合成法制备的BaTiO₃介电常数较固相法制备的高，但其室温下(25℃)的介电常数仍然低于6000，且工艺较复杂，重复性差。此外，BaTiO₃陶瓷的击穿强度为50～80kV/cm，在室温下处于铁电相，电滞回线较宽，储能密度较低，从而限制了其实际应用。

因此，要拓宽BaTiO₃陶瓷介质的使用范围，需要对其进行掺杂改性，将BaTiO₃的居里峰移至室温附近，以增大其介电常数；另一方面，储能介质材料还需要有尽可能高的耐压强度和低的介电损耗，以提高储能密度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种介电常数高、储能密度大的储能介质陶瓷材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种无铅高介电常数储能介质陶瓷材料，其化学式为(1-x)BaTiO₃-xCaSnO₃，其中x＝0.11～0.15。

本发明还提供上述无铅高介电常数储能介质陶瓷材料的制备方法，其步骤如下：

1)以BaCO₃、CaCO₃、SnO₂和TiO₂为原料，根据化学式(1-x)BaTiO₃-xCaSnO₃中金属元素化学计量比配料，其中x＝0.11～0.15；

2)将步骤1)称取的BaCO₃、CaCO₃、SnO₂和TiO₂原料球磨混合均匀，烘干，置于马弗炉中从室温下升温至1000～1100℃预烧2～3h，随炉自然冷却得到陶瓷粉体；

3)将步骤2)所得陶瓷粉体球磨后烘干，与粘结剂混合均匀并研磨造粒，过筛后陈化12h，单面加压成型得到陶瓷圆片素坯；

4)将步骤3)所得陶瓷圆片素坯于600～650℃保温处理2h，然后升温至1350～1400℃烧结2～3h，最后随炉自然冷却得到无铅高介电常数储能介质陶瓷材料。

按上述方案，步骤2)和步骤3)所述球磨为采用氧化锆球，以无水乙醇为介质，混合球磨时间为12～26h。

按上述方案，步骤2)所述升温速率为2～4℃/min。

按上述方案，步骤3)所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液，浓度为2.5wt％，粘结剂加入量为陶瓷粉体质量的1～3％。

按上述方案，步骤3)所述加压成型压力为150～200MPa。

按上述方案，步骤4)所述升温速率为2℃/min。

在(1-x)BaTiO₃-xCaSnO₃(x＝0.11～0.15)储能介质陶瓷的制备中，我们的实验结果是：当CaSnO₃的固溶掺杂量低于11mol％或超过15mol％时，介质陶瓷在室温下的相对介电常数小于10000，且当CaSnO₃的含量低于11mol％时，介质陶瓷的击穿强度和储能密度相较于BaTiO₃并没有得到明显改善。当烧结温度低于1350℃时，介质陶瓷致密度会显著下降，材料内部气孔率较大；当烧结温度高于1450℃时，材料内部出现较多液相，致使介质陶瓷的耐压强度和介电性能恶化。

通过控制x的范围，本发明获得了具有高介电常数、低介电损耗和较高击穿强度的储能介质陶瓷，相对于BaTiO₃陶瓷储能密度更高。