一种低介电损耗的无铅玻璃陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种低介电损耗的无铅玻璃陶瓷及其制备方法，该玻璃陶瓷适合于制 备电容量需求不大（pF或nF级）的高压陶瓷电容器，尤其适合制备电容耐压要求高、工作 寿命要求长等条件下使用的高压陶瓷电容器。
【背景技术】
[0002] 目前，薄膜类、油浸类高压电容器占据着电力系统用高压互感器、避雷器，W及冲 击电流发生器、X光机、激光设备等各种设备中高压电容的主流市场。根据电容未来发展战 略，使用寿命不长、体积鹿大、易燃易爆的传统薄膜类或油浸类高压电容，将被新一代寿命 长、可靠性好、体积小的高压电容产品所替代。该无疑给高压陶瓷电容器一个良好的发展机 遇，因为高压陶瓷电容器的全固态特征，它安全性、可靠性高，同时陶瓷电容器的稳定性和 长寿命特征使其越来越受到重视，并已经在一定范围内取代了薄膜类和油浸类电容器。
[0003] 传统高压陶瓷电容器的电介质材料主要为铁酸餓顿或经过成分微调后改进的成 分体系，如编号为"N4700"等烧结陶瓷。该类陶瓷介质通常具有较高的介电常数，且介电常 数在一定温度和频率范围内可W通过配方的调整或工艺的改进，使得陶瓷介电常数在保持 较大值的情况下具有较好的温度和频率稳定性。但是由于该类陶瓷介质烧结残留的孔隙导 致陶瓷耐压性能不高，材料的击穿场强一般小于lOkV / mm,难W完全满足未来电容器高耐 压的需求。
[0004] 玻璃陶瓷是一种高温烙融的玻璃体经快速冷却，再加热结晶内部析出高介电陶瓷 颗粒后的新型介电复合材料，近年来倍受高压陶瓷电容器行业关注的。因为玻璃基体本身 具有高致密性和极少的孔隙率的特点，材料击穿强度也会很高，因而玻璃陶瓷复合材料兼 具高介电常数和高击穿场强的双重特点。由于玻璃陶瓷材料介电常数在室温附近温度范围 内变化率极小，击穿强度比传统烧结陶瓷高一个数量级W上，因而在高压陶瓷电容器领域 展现出了良好的应用前景。就目前而言，世界范围内关注较多，研究报道较频繁的此类材 料W二氧化娃基-魄酸盐陶瓷析出相玻璃陶瓷为主，该类材料不仅多含有污染环境的铅元 素，还由于碱金属离子的引入导致材料的介质损耗角正切始终难W小于1%，严重地影响了 W该类材料为介质制备的电容器的使用寿命。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种具有适中的介电常数、高击穿场强，尤其具有极低的 介电损耗的无铅玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷材料适合作为高压陶瓷电容器的介质。
[0006] 本发明的另一目的在于提供一种所述无铅玻璃陶瓷的制备方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0008] 一种低介电损耗的无铅玻璃陶瓷，其成分组成为；aBa〇-bSr〇-cNb2〇5-dZn〇-xSi化 -ylWzREO,其中，a、b、C、d、X、y、Z为摩尔比表示成分之间的摩尔比，RE0表示稀±氧化 物；且满足；〇《a《10. 35,9. 97《b《20. 70, 20. 19《C《20. 70,14. 80《d《15. 50， 14. 56《X《15. 00,27. 51《y《28. 10,0《z《3. 00。
[0009] 所述稀±氧化物优选为Gda化和/或La2化。
[0010] 一种所述低介电损耗的无铅玻璃陶瓷的制备方法，包括W下步骤：
[0011] (1)根据所述玻璃陶瓷的成分组成选择原料，按照所述玻璃陶瓷各成分的摩尔比 例进行配比称量，将配好的原料用翻转混料机混合6~8小时，然后将混合均匀的原料在 1250~130(TC的高温下烙融2~3小时；
[0012] (2)将烙融均匀的玻璃液体快速倒入450~50(TC预热的金属模具中，冷却成型后 放入已加热至450~50(TC的退火炉中进行去应力退火，得到玻璃片；
[001引 做将玻璃片进行可控结晶处理，该过程分为两步；首先在500~60(TC保温2~ 3小时，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到700~85(TC保温3~5小时使晶核均匀 长大，得到W魄酸盐陶瓷相为主的低介电损耗的无铅玻璃陶瓷。
[0014] 在所述制备方法中，在选择原料时，与成分BaO对应的原料可W选择BaO、BaC〇3、 Ba (OH) 2 或 Ba (N03) 2,与成分 SrO 对应的原料可 W选择 SrO、SrC〇3、Sr (OH) 2 或 Sr (N03) 2,与 成分B203对应的原料可W选择B203或邮〇3,与成分REO对应的原料可W选择Gd2〇3和/或 La2化，其余成分可选择相应的氧化物。
[0015] 所述各原料均为分析纯。
[0016] 本发明的优点在于：
[0017] 本发明的玻璃陶瓷实现了无铅元素、环境友好，其交流击穿场强可达到18kV / mm W上，介电常数在60~90之间。本发明的玻璃陶瓷中也不含碱金属元素，因而其介电损耗 可降低至0.02%，介电常数的频率稳定性好，适合作为高压电容器介质。
【附图说明】
[0018] 图1为实施例2中得到的玻璃陶瓷的介电常数与损耗随频率变化曲线。
[0019] 图2为实施例2中得到的玻璃陶瓷的交流击穿场强巧IJ试值与平均值。
[0020] 图3为实施例4中得到的玻璃陶瓷的介电常数与损耗随频率变化曲线。
[0021] 图4为实施例4中得到的玻璃陶瓷的交流击穿场强测试值与平均值。
【具体实施方式】
[0022] W下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0023] 实施例1
[0024] 选择分析纯的5扣〇3、佩2〇5、211〇、51化、&8〇3为原料，按照表1中的各组分摩尔比例 进行分别配料，W氧化铅球作为研磨介质，在尼龙罐中利用翻转混料机干混6小时，将混合 粉料取出。将混合均匀的原料在125CTC的笛金巧巧中烙融揽拌2小时，再将烙融均匀的玻 璃液体快速倒入45(TC预热的钢制金属模具中，冷却成型后放入已加热至45CTC的退火炉 中进行去应力退火，保温约6小时后，关掉退火炉，随炉冷却。
[0025] 将烙体快速冷却制备的透明玻璃片进行可控结晶处理，该过程分为两步；首先在 50(TC温度范围内保温3小时，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到70(TC保温3小时使 晶核均匀长大，得到W魄酸盐陶瓷相为主的玻璃陶瓷介质。将经过结晶热处理得到的玻璃 陶瓷片进行机械加工，包括切割、磨边、研磨、抛光，制得表面光滑（表面粗趟度达到RaO. 1) 且具有规则形状的厚度为1mm左右的玻璃陶瓷片。
[002引 实施例2
[0027] 选择分析纯的 BaC〇3、SrC〇3、Nb2〇5、ZnO、Si〇2、H3B〇3、REO 为原料，其中，RE0 为 La2〇3， 按照表1中的各组分摩尔比例进行分别配料，W氧化铅球作为研磨介质，在尼龙罐中利用 翻转混料机干混8小时，将混合粉料取出。将混合均匀的原料在130(TC的笛金巧巧中烙融 揽拌3小时，再将烙融均匀的玻璃液体快速倒入50(TC预热的钢制金属模具中，冷却成型后 放入已加热至50(TC的退火炉中进行去应力退火，保温约6小时后，关掉退火炉，随炉冷却。
[0028] 将烙体快速冷却制备的透明玻璃片进行可控结晶处理，该过程分为两步；首先在 55(TC温度范围内保温3小时，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到74CTC保温3小时使 晶核均匀长大，得到W魄酸盐陶瓷相为主的玻璃陶瓷介质。将经过结晶热处理得到的玻璃 陶瓷片进行机械加工，包括切割、磨边、研磨、抛光，制得表面光滑（表面粗趟度达到RaO. 1) 且具有规则形状的厚度为1mm左右的玻璃陶瓷片。在该种陶瓷片上制作测试电极后，可W 测得图1所示的介电常数与损耗随频率变化曲线，在50化~IMHz测试条件下，它的介电常 数分布81~83之间，