一种高介电性能钛酸锶钡、其制备方法及采用其制备的介电陶瓷技术

本发明专利技术公开了一种高介电性能钛酸锶钡、其制备方法及采用其制备的介电陶瓷，目的在于解决现有介电陶瓷材料，介电常数越高，耐电强度越低，且其温度稳定性和电场稳定性也越差的问题。本发明专利技术从ABO3型钙钛矿晶体结构、介电微观机制出发，优化了高介电性能钛酸锶钡陶瓷的成分设计，通过改进原料粉末的制备方法、陶瓷试样的显微组织调控与性能优化，实现了制备的原料粉末均质、细晶，具备了较高的烧结活性。本发明专利技术提供兼具高的介电常数、低的介质损耗的BST介电陶瓷及其制备方法，其制备工艺简单，成本较低，周期短，适合大批量生产，能够满足工业化应用的需求，其提供的材料能够用于高功率微波器件系统中，满足实际应用需要，具有较为广阔的应用前景。

High dielectric property barium strontium titanate, preparation method thereof and dielectric ceramics prepared by the same

The invention discloses a high dielectric properties of barium strontium titanate and its preparing method and use the preparation of dielectric ceramics, the purpose is to solve the existing dielectric ceramic material, dielectric constant, higher dielectric strength is low, and the temperature stability and stability is the problem of poor field. The present invention starting from the ABO3 type perovskite crystal structure, dielectric micro mechanism, optimize the composition of high dielectric properties of barium strontium titanate ceramics, by improving raw material powder preparation method, microstructure of the ceramic samples regulation and performance optimization, the raw material powder prepared by homogeneous, fine grain, with the sintering activity high. The present invention provides BST with a high dielectric constant, low dielectric loss of piezoelectric ceramic and its preparation method, the preparation process is simple, low cost, short cycle, suitable for mass production, to meet the needs of industrial application, which can provide the material for high power microwave devices in the system, to meet the the actual application needs, and has a wider application prospect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料领域，尤其是高性能介电材料领域，具体为一种高介电性能钛酸锶钡、其制备方法及采用其制备的介电陶瓷。本专利技术属于无机材料介电陶瓷及其制备领域，其提供了一种高介电性能、低介质损耗的钛酸锶钡介电陶瓷及其制备方法，具有较高的应用价值。
技术介绍
陶瓷介质材料通常可分为两类：一类是线性材料，另一类是非线性介质材料。线性介质材料具有高的耐电强度，但其介电常数较低，一般不超过300。而非线性介质材料，虽然具有高的介电常数(可以在1000以上)，但很难同时兼顾高介电常数和高的耐电强度。对于同一个陶瓷介质体系而言，往往介电常数越高，它的耐电强度越低，且其温度稳定性和电场稳定性也越差。因此，如何在提高陶瓷介质介电常数的同时，提高耐电强度，并保持良好的温度和电场稳定性，是发展高性能陶瓷介质材料的技术关键。为此，本专利技术提供一种高介电性能钛酸锶钡、其制备方法及采用其制备的介电陶瓷。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对现有的介电陶瓷材料，介电常数越高，它的耐电强度越低，且其温度稳定性和电场稳定性也越差的问题，提供一种高介电性能钛酸锶钡、其制备方法及采用其制备的介电陶瓷。本专利技术从ABO3型钙钛矿晶体结构、介电微观机制出发，优化了高介电性能钛酸锶钡陶瓷的成分设计，通过改进原料粉末的制备方法、陶瓷试样的显微组织调控与性能优化，实现了制备的原料粉末均质、细晶，具备了较高的烧结活性；制备的陶瓷晶粒细、致密度高，在满足较高的介电常数的同时，具备较低的介质损耗，可应用于高功率微波器件系统，具有极好的应用前景。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高介电性能钛酸锶钡，其化学分子式为：(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3，其中0.3≤a≤0.4，0＜b≤0.05，0＜x≤0.08，0＜y≤0.1。其常温介电常数≥4000，介质损耗≤0.5％。前述高介电性能钛酸锶钡的制备方法，包括如下步骤：按钛酸锶钡(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3的化学计量比，分别称取BaCO3、SrCO3、TiO2、ZrO2、CaO、Bi2O3原料，将称取的原料混合，得第一混合物，并向第一混合物中加入第一混合物质量5～8wt％的聚乙烯醇缩丁醛作为分散剂，得到第二混合物；将第二混合物进行湿法球磨，并将球磨后的浆料烘干后，得到第三混合物；将第三混合物在大气气氛下于1000～1250℃保温2～4小时，制得钛酸锶钡原料。将第一混合物进行湿法球磨时，以氧化锆小球、无水乙醇为球磨介质，原料、氧化锆小球、无水乙醇、聚乙烯醇缩丁醛的质量比为1：(4.0～6.0)：(6～8)(0.05～0.08)，球磨时间为36～48小时。采用前述高介电性能钛酸锶钡制备的介电陶瓷，采用包括如下步骤的方法制备而成：将钛酸锶钡原料粉碎、过筛，得到第四粉末；向第四粉末中加入粘结剂，得到第五混合物；将第五混合物进行造粒、陈化、过筛后，再经模压、等静压成型，得到钛酸锶钡胚体；将得到的钛酸锶钡胚体在大气气氛下于1380～1520℃烧结，即得钛酸锶钡介电陶瓷。所述粘结剂为质量浓度2～10wt％的聚乙烯醇溶液，所述粘接剂的加入量为钛酸锶钡原料质量的3～10％。将第五混合物进行造粒、陈化，造粒时间为0.5～4小时，陈化为24～48小时。模压压力为20～50MPa，冷等静压压力为200～280MPa。将得到的钛酸锶钡胚体在大气气氛下于1380～1520℃烧结，烧结条件如下：以2～5℃/min的速度升温，当升温至120℃时保温1～3h，然后升温至400～700℃，保温2～4h，然后升温至1380～1520℃保温2.5～4.5h，然后以1～8℃/min的速度降温至300～500℃，然后随炉冷却至室温，即得钛酸锶钡介电陶瓷。前述钛酸锶钡介电陶瓷在高功率微波器件中的应用。针对前述问题，本专利技术提供一种高介电性能钛酸锶钡、其制备方法及采用其制备的介电陶瓷。本专利技术从ABO3型钙钛矿晶体结构、介电微观机制出发，优化了高介电性能钛酸锶钡陶瓷的成分设计，通过改进原料粉末的制备方法、陶瓷试样的显微组织调控与性能优化，实现了制备的原料粉末均质、细晶，具备了较高的烧结活性；制备的陶瓷晶粒细、致密度高，在满足较高的介电常数的同时，具备较低的介质损耗，可应用于高功率微波器件系统。本专利技术提供的高介电性能钛酸锶钡的化学分子式为(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3，其中0.3≤a≤0.4，0＜b≤0.05，0＜x≤0.08，0＜y≤0.1。经实际测定，本专利技术的BST介电陶瓷致密度达到理论密度的99％以上，晶粒细、均匀性好，在满足较高的介电常数(≥4000@1、10、100、200KHz，即该材料在1、10、100、200KHz条件下的介电常数在4000以上)的同时，具备较低的介质损耗(≤0.5％@1、10、100、200KHz，即该材料在1、10、100、200KHz条件下的介质损耗在0.5％以下)，可满足高功率微波器件系统应用的要求。实验结果表明，本专利技术的BST介电陶瓷兼具高介电性能、低介质损耗，且晶粒细、均匀性好、致密度高，电性能优良，能满足高功率微波器件系统的使用要求。进一步，本专利技术还提供该高介电性能钛酸锶钡的制备方法及其介电陶瓷的制备方法，其中一个具体的操作步骤如下。(1)按照化学计量比，称取原料BaCO3、SrCO3、TiO2、ZrO2、CaO、Bi2O3，得到原料混合物，向原料混合物中加入原料混合物质量5～8wt％的聚乙烯醇缩丁醛作为分散剂，以氧化锆小球、无水乙醇为球磨介质，在氧化锆罐内湿法球磨混合均匀；将球磨后的浆料在大气气氛烘干后，再在大气气氛下于1000～1250℃保温2～4小时制得钛酸锶钡原料粉末，然后对所得原料粉末进行研磨、过60目筛，得到(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3原料粉末。(2)将所得的(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3原料粉末加入粘接剂，经造粒、陈化、过筛，再采用模压、等静压成型，得到钛酸锶钡胚体。(3)将制备的钛酸锶钡胚体在大气气氛下于1380～1520℃烧结，制得所述兼具高介电性能、低介质损耗钛酸锶钡介电陶瓷。较佳地，在步骤(1)中，过60目筛得到(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3原料粉末。作为优选，所述粘接剂为质量浓度为2～5％的聚乙烯醇溶液，所述粘接剂加入量可为(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3粉末质量的3～6％。在实验室条件下，步骤2中，造粒、陈化、过筛工艺参数可以为：采用玛瑙研钵作为造粒容器，按(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3原料粉末与粘接剂的质量比例为1：5～10％，造粒时间0.5～4小时，陈化24～48小时，过20目筛，得到筛下物，用于胚体压制。作为优选，模压压力为20～50MPa，冷等静压压力为200～280MPa。作为优选，本专利技术在烧结时，优选采用程序升温，具体操作如下：以2～5℃/min的速度升温，当升温至120℃时保温1～3h，然后升温至400～700℃，保温2～4h，然后升温至1380～1520℃保温2.5～4.5h，然后以1～8℃/min的速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高介电性能钛酸锶钡，其特征在于，其化学分子式为：(Ba1‑aSra)1‑x‑yCaxBiyZrbTi1‑bO3，其中0.3≤a≤0.4，0＜b≤0.05，0＜x≤0.08，0＜y≤0.1。

【技术特征摘要】
1.一种高介电性能钛酸锶钡，其特征在于，其化学分子式为：(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3，其中0.3≤a≤0.4，0＜b≤0.05，0＜x≤0.08，0＜y≤0.1。2.根据权利要求1所述高介电性能钛酸锶钡，其特征在于，其常温介电常数≥4000，介质损耗≤0.5％。3.前述权利要求1-2任一项所述高介电性能钛酸锶钡的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按钛酸锶钡(Ba1-aSra)1-x-yCaxBiyZrbTi1-bO3的化学计量比，分别称取BaCO3、SrCO3、TiO2、ZrO2、CaO、Bi2O3原料，将称取的原料混合，得第一混合物，并向第一混合物中加入第一混合物质量5～8wt％的聚乙烯醇缩丁醛作为分散剂，得到第二混合物；将第二混合物进行湿法球磨，并将球磨后的浆料烘干后，得到第三混合物；将第三混合物在大气气氛下于1000～1250℃保温2～4小时，制得钛酸锶钡原料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将第一混合物进行湿法球磨时，以氧化锆小球、无水乙醇为球磨介质，原料、氧化锆小球、无水乙醇、聚乙烯醇缩丁醛的质量比为1：(4.0～6.0)：(6～8)(0.05～0.08)，球磨时间为36～48小时。5.采用前述权利要求1-2任一项所述高介电性能钛酸锶钡制备的介电陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳平，李强，杨晓峰，李启寿，唐贤臣，谢金华，蔡勇军，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51