专利名称：一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种储能陶瓷的制备方法。
背景技术：
为了满足脉冲功率系统的小型化和高储能密度的需求，各国材料工作者正积极探索研究具有高介电常数ει·、低介电损耗tan δ和高击穿强度的介质材料，而BiixSivxTiO3 陶瓷因具有良好的铁电性、压电性、热释电性、电光及非线性光学等特性，广泛应用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域。B^l3Sra7TiO3陶瓷在室温为顺电相， 具有低的介电损耗及较高的介电常数和击穿场强，G. R. Love等研究表明，介电常数中等 (< 2000)，但是击穿场强高的电介质材料具有高的储能密度。所以，要获得高的储能密度， 就是要在不大幅度降低介电常数的同时提高材料的击穿强度。陶瓷材料的击穿强度主要与其显微结构、测试条件及样品测试大小，其中，显微结构的影响最为重要。改善陶瓷材料的显微结构的方法主要有化学合成、细化晶粒以及加玻璃料，其中加玻璃料最为有效且简单经济。在陶瓷中加入玻璃料，晶界处的玻璃阻碍陶瓷晶粒的长大，起到了细化晶粒的作用。同时，当高温烧结时，玻璃逐渐熔化，流动的液相减小孔隙率，很好的促进了陶瓷的烧结，使得陶瓷在较低温度实现致密。再者，玻璃本身电阻率高且耐高压。所以，基于以上，玻璃的加入可以提高陶瓷的击穿强度。然而，由于玻璃的低介电常数和高介电损耗，不同种类的玻璃或同种玻璃不同添加量对陶瓷的影响不同，有的甚至会恶化陶瓷的介电性能，所以，玻璃组分和添加量的选择很重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，该方法制备的储能陶瓷具有击穿强度高的特点。为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，其特征在于它包括以下步骤1)按BaCO3中的Ba元素、SrCO3中的Sr元素、TiO2中的Ti元素的摩尔比为 0.3 0. 7 1(即按分子式 B^l 3Srtl 7TiO3,计量 BaC03、SrC03 和 TiO2),选取 BaC03、SrC03 禾口 TiO2 ；将BaC03、SrCO3和TW2放入球磨机中球磨混合均勻(球磨22 M小时)，得到混合料；混合料烘干后在1100°C预烧2 3小时，升温速率为2 5°C /min，制得陶瓷粉，备用；2)按 &i0、B203、SiO2 所占摩尔百分数为SiO 21 50mol %、B2O3 16 35mol%、 SiO2 20 63mol%，选取ZnOJ2O3禾口 SiO2 ；将ZnOj2O3和SiO2放入刚玉坩埚中，在1200 1500°C下熔融(升温速率为2 5°C /min)，保温2 3小时后，高温取出淬火制得玻璃，将得到的玻璃碎片烘干，磨细，得到玻璃粉，备用；3)按玻璃粉的加入量为陶瓷粉质量的2 8%，选取玻璃粉和陶瓷粉；按粘结剂的加入量为陶瓷粉质量的3 5%，选取粘结剂；将玻璃粉添加到陶瓷粉中，以乙醇为分散介质，锆球球磨M小时，烘干；然后加入粘结剂造粒，压片，在600°C保温2 3小时排胶(排除粘结剂)，得到陶瓷片；然后将陶瓷片在1125 1225°C，升温速率为2 5°C /min，保温 2 3小时烧结，得到击穿强度高的储能陶瓷(或称为添加有玻璃的B^l3Sra7TiO3陶瓷)。所述的粘结剂为聚乙烯醇(简称PVA)。所述的ZnO、B203、SiO2 所占摩尔百分数为ZnO 40mol B2O3 35mol SiO2 25mol%。所述的ZnO、B203、SiO2 所占摩尔百分数为ZnO 50mol B2O3 30mol SiO2 20mol%。所述的ZnO、B203、SiO2 所占摩尔百分数为ZnO 21mol B2O3 16mol SiO2 63mol %。所述的玻璃粉的加入量最佳为陶瓷粉质量的2. 5 8%。所述的玻璃粉的加入量为陶瓷粉质量的4%。本发明的有益效果是1、击穿强度高由于绝缘性能好、低熔点的玻璃的加入，使得陶瓷烧结性能的改善，进而提高陶瓷的耐压性能；添加玻璃后，陶瓷的击穿强度有很大的提高，纯 Baa3Sra7TiO3陶瓷的击穿强度只有十几，而加入玻璃后，陶瓷的击穿强度具有很大的提高， 最高达到二十几。2、玻璃稳定性好玻璃不与陶瓷发生反应生成第二相，能大大降低陶瓷的烧结温度并能很好的促进陶瓷的致密化，对陶瓷的介电常数影响相对较小，介电损耗几乎没有什么影响，都在千分之几的范围内。
图1 (a)是添加有玻璃的B^l3Sra7TiO3陶瓷的介电常数图。图1 (b)是添加有玻璃的Biia3Sra7TiO3陶瓷的介电损耗图。图2是添加有玻璃的Biia3Sra7TiO3陶瓷的击穿强度图。
具体实施例方式为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1 一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，它包括以下步骤1)按BaCO3中的Ba元素、SrCO3中的Sr元素、TiO2中的Ti元素的摩尔比为 0.3 0. 7 1(即按分子式 B^l 3Srtl 7TiO3,计量 BaC03、SrC03 和 TiO2),选取 BaC03、SrC03 禾口 TiO2 ；将BaC03、SrCO3和TW2放入球磨机中球磨混合均勻(球磨22 M小时)，得到混合料；混合料烘干后在1100°C预烧2小时，升温速率为2°C /min，制得陶瓷粉，备用；2)按 ZnO、B203、SiO2 所占摩尔百分数为:ZnO 40mol B2O3 35mol SiO2 25mol%，选取ZnOJ2O3和SiO2 ；将SiOJ2O3和SiO2放入刚玉坩埚中，在1200°C下熔融(升温速率为2 5°C /min)，保温2小时后，高温取出淬火制得玻璃，将得到的玻璃碎片烘干， 磨细，得到玻璃粉(记为^S2)，备用；3)按玻璃粉的加入量为陶瓷粉质量的2%、4(%、6(%、8(%，选取玻璃粉和4份陶瓷粉；按粘结剂的加入量为陶瓷粉质量的3%，选取粘结剂；将玻璃粉添加到陶瓷粉中，以乙醇为分散介质，锆球球磨M小时，烘干；然后加入粘结剂造粒，压片，在600°C保温2小时排胶(排除粘结剂)，得到陶瓷片；然后将陶瓷片在1125°C，升温速率为2 V Mn,保温2小时烧结，得到4份击穿强度高的储能陶瓷(或称为添加有玻璃的B^l3Sra7TiO3陶瓷，记为 BST+ZBS2)。实施例1得到的添加有玻璃的Ba0.3Sr0.7Ti03陶瓷(记为BST+ZBS2)样品，上银浆测试其介电性能，如图1(a)所示，说明本实施例得到的添加有玻璃的B^l3Sra7TiO3陶瓷(记为BST+ZBS2)的介电常数只是小幅度的下降，当添加量为和6wt%时，由纯的 B^3Sra7TiO3陶瓷的650分别下降到596和529，介电损耗的变化也较小[如图1(b)所示]， ZBS2添加量为4wt%禾口 6衬％时的损耗分别为4*IO"4和2*10_4，而纯的Ba0.3Sr0.7Ti03陶瓷的损耗为5*10_4，说明添加观52后基本上没有增加陶瓷的介电损耗。另外，从图2可以看出，纯的Baa3Sra7TiO3陶瓷的击穿强度是18. 3kV/mm，添加和6wt%时，击穿强度分别增加至25kV/mm和21. 7kV/mm ；添加8wt %时，击穿强度分别增加至18. 4kV/mm和 21. 7kV/mm，说明本发明击穿强度高。实施例2 一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，它包括以下步骤1)按BaCO3中的Ba元素、SrCO3中的Sr元素、TiO2中的Ti元素的摩尔比为 0.3 0. 7 1(即按分子式 B^l 3Srtl 7TiO3,计量 BaC03、SrC03 和 TiO2),选取 BaC03、SrC03 禾口 TiO2 ；将BaC03、SrCO3和TW2放入球磨机中球磨混合均勻(球磨22 M小时)，得到混合料；混合料烘干后在1100°C预烧2. 5小时，升温速率为3°C /min，制得陶瓷粉，备用；2)按 ZnO, B203、SiO2 所占摩尔百分数为:ZnO 50mol B2O3 30mol SiO2 20mol%，选取ZnOJ2O3和SiO2 ；将SiOJ2O3和SiO2放入刚玉坩埚中，在1400°C下熔融(升温速率为2 5°C /min)，保温2. 5小时后，高温取出淬火制得玻璃，将得到的玻璃碎片烘干，磨细，得到玻璃粉(记为^S3)，备用；3)按玻璃粉的加入量为陶瓷粉质量的2%、4(%、6(%、8(%，选取玻璃粉和4份陶瓷粉；按粘结剂的加入量为陶瓷粉质量的4%，选取粘结剂；将玻璃粉添加到陶瓷粉中，以乙醇为分散介质，锆球球磨M小时，烘干；然后加入粘结剂造粒，压片，在600°C保温2. 5小时排胶(排除粘结剂)，得到陶瓷片；然后将陶瓷片在1200°C，升温速率为3°C /min，保温2. 5 小时烧结，得到4份击穿强度高的储能陶瓷(或称为添加有玻璃的B^l3Sra7TiO3陶瓷，记为 BST+^S3)。从图2可以看出，纯的BEia3Sra7TiO3陶瓷的击穿强度是18. ;3kV/mm，添加和 6wt%时，击穿强度分别增加至25kV/mm和26. 7kV/mm ；添加2衬％和8衬％时，击穿强度分别增加至23. 3kV/mm和25. 2kV/mm，说明本发明击穿强度高。实施例3 一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，它包括以下步骤1)按BaCO3中的Ba元素、SrCO3中的Sr元素、TiO2中的Ti元素的摩尔比为 0.3 0. 7 1(即按分子式 B^l 3Srtl 7TiO3,计量 BaC03、SrC03 和 TiO2),选取 BaC03、SrC03 禾口 TiO2 ；将BaC03、SrCO3和TW2放入球磨机中球磨混合均勻(球磨22 M小时)，得到混合料；混合料烘干后在1100°C预烧3小时，升温速率为5°C /min，制得陶瓷粉，备用；
2)按 ZnO, B203、SiO2 所占摩尔百分数为:ZnO 2Imol B2O3 16mol SiO2 63mol%，选取ZnOJ2O3和SiO2 ；将SiOJ2O3和SiO2放入刚玉坩埚中，在1500°C下熔融(升温速率为2 5°C /min)，保温3小时后，高温取出淬火制得玻璃，将得到的玻璃碎片烘干， 磨细，得到玻璃粉(记为ZBS4)，备用；3)按玻璃粉的加入量为陶瓷粉质量的2%、4(%、6(%、8(%，选取玻璃粉和4份陶瓷粉；按粘结剂的加入量为陶瓷粉质量的5%，选取粘结剂；将玻璃粉添加到陶瓷粉中，以乙醇为分散介质，锆球球磨M小时，烘干；然后加入粘结剂造粒，压片，在600°C保温3小时排胶(排除粘结剂)，得到陶瓷片；然后将陶瓷片在1225°C，升温速率为5°C /min，保温3小时烧结，得到4份击穿强度高的储能陶瓷(或称为添加有玻璃的B^l3Sra7TiO3陶瓷，记为 BST+ZBS4)。从图2可以看出，纯的BEia3Sra7TiO3陶瓷的击穿强度是18. ;3kV/mm，添加和 6wt%时，击穿强度分别增加至25kV/mm和26. 7kV/mm ；添加和6衬％时，击穿强度分别增加至18. 4kV/mm和21kV/mm，说明本发明击穿强度高。本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如温度、时间等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
权利要求
1.一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，其特征在于它包括以下步骤1)按BaCO3中的Ba元素、SrCO3中的Sr元素、TiO2中的Ti元素的摩尔比为 0. 3 0. 7 1，选取BaCO3> SrCO3和TiO2 ；将BaCO3> SrCO3和TiO2放入球磨机中球磨混合均勻，得到混合料；混合料烘干后在1100°c预烧2 3小时，升温速率为2 5°C /min，制得陶瓷粉，备用；2)按&i0、B203、Si02 所占摩尔百分数为=ZnO 21 50mol %、B2O3 16 35mol %、SiO2 20 63mol %，选取ZnOj2O3和SiO2 ；将ZnOj2O3和SiO2放入刚玉坩埚中，在1200 1500°C下熔融，保温2 3小时后，高温取出淬火制得玻璃，将得到的玻璃碎片烘干，磨细，得到玻璃粉，备用；3)按玻璃粉的加入量为陶瓷粉质量的2 8%，选取玻璃粉和陶瓷粉；按粘结剂的加入量为陶瓷粉质量的3 5%，选取粘结剂；将玻璃粉添加到陶瓷粉中，以乙醇为分散介质，锆球球磨M小时，烘干；然后加入粘结剂造粒，压片，在60(TC保温2 3小时，得到陶瓷片； 然后将陶瓷片在1125 1225°C，升温速率为2 5°C /min，保温2 3小时烧结，得到击穿强度高的储能陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，其特征在于所述的粘结剂为聚乙烯醇。
3.根据权利要求1所述的一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，其特征在于所述的 &i0、B203、Si02 所占摩尔百分数为=ZnO 40mol%,B203 35mol%,Si02 2 5mol%0
4.根据权利要求1所述的一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，其特征在于所述的 &i0、B203、Si02 所占摩尔百分数为=ZnO 50mol%,B203 30mol%,Si02 20mol%o
5.根据权利要求1所述的一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，其特征在于所述的 &i0、B203、Si02 所占摩尔百分数为=ZnO 2 Imo 1%, B2O3 16mol%,Si02 6 3mol%0
6.根据权利要求1所述的一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，其特征在于所述的玻璃粉的加入量为陶瓷粉质量的2. 5 8%。
7.根据权利要求6所述的一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，其特征在于所述的玻璃粉的加入量为陶瓷粉质量的4%。
全文摘要
本发明涉及一种储能陶瓷的制备方法。一种击穿强度高的储能陶瓷的制备方法，其特征在于它包括以下步骤1)制备Ba0.3Sr0.7TiO3陶瓷粉；2)按ZnO、B2O3、SiO2所占摩尔百分数为ZnO 21～50mol％、B2O3 16～35mol％、SiO2 20～63mol％，放入刚玉坩埚中，在1200～1500℃下熔融，保温2～3小时后，高温取出淬火制得玻璃，将得到的玻璃碎片烘干，磨细，得到玻璃粉；3)按玻璃粉的加入量为陶瓷粉质量的2～8％，选取；将玻璃粉添加到陶瓷粉中，球磨、烘干；然后加入粘结剂造粒，压片，在600℃保温2～3小时，得到陶瓷片；然后将陶瓷片在1125～1225℃，升温速率为2～5℃/min，保温2～3小时烧结，得到击穿强度高的储能陶瓷。该方法制备的储能陶瓷具有击穿强度高的特点。
文档编号C04B35/622GK102199036SQ20111004672
公开日2011年9月28日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者余志勇, 刘韩星, 曹明贺, 李忆秋, 邓国平, 郝华, 郭璐 申请人:武汉理工大学