一种低损耗X9R型无铅陶瓷电容器材料制备方法

本发明主要涉及介电储能陶瓷材料的，具体为一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料制备方法。

背景技术：

1、陶瓷电容器又称为瓷介电容器或独石电容器，瓷介电容器就是介质材料为陶瓷的电容器，根据陶瓷材料的不同，可以分为低频陶瓷电容器和高频陶瓷电容器两类，按结构形式分类，又可分为圆片状电容器、管状电容器、矩形电容器、片状电容器、穿心电容器等多种。

2、陶瓷储能电容器具有放电功率大、利用效率高、储能密度上升空间大、充放电速度快、抗循环老化、适用于高温高压等极端环境和性能稳定等优点，正逐渐成为脉冲功率设备中的储能元件而被广泛，但是损耗大、储能低，成本较高，且部分陶瓷电容器中的材料含有铅等有害成分，会对环境造成一定的伤害，不够环保，不符合我国环保的理念。

3、因此，开发具有无铅的、高介电常数、高击穿场强和低介质损耗的高温高储能密度介质材料对于现代电子能源系统，如混合动力汽车、电磁轨道炮武器等国防及现代工业等领域的发展具有非常重要的作用。

4、钛酸钡(batio3，bt)是典型的铁电体材料，具有介电常数大、介电损耗低和居里温度约为120℃等特点，大量研究证明采用较低容差因子的bimeo3(me代表复合三价阳离子)作为添加剂拓宽batio3陶瓷的高温稳定性范围并获得相对较高的wrec和η值是一种可行的策略【文献1：xuewei liang,et al.,journal of materials science:materials inelectronics 32(3),2021:3377–90.】。据报道，微量稀土元素掺杂可提高介电材料击穿场强，进一步提高储能性能【文献2：qinghuan huang,et al.,ceramics international 48(12),2022:17359–68.】。此外，另有研究表明mn的掺入可以促进缺陷偶极子的形成，有效地减少载流子迁移，提高陶瓷的可靠性，另一方面，mn的掺入还可以有效地降低ti4+的还原量，抑制铁电性的退化，降低漏电流，进而提高电容器的稳定性【文献3：wei peng,et al.,ceramics international 47(20),2021:29191–96.】。

技术实现思路

1、本发明技术方案针对现有技术解决方案过于单一的技术问题，提供了显著不同于现有技术的解决方案，具体地本发明主要提供了一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料制备方法，用以解决上述背景技术中提出的目前的陶瓷储能电容器的介电常数较低，损耗较大，无法很好的适应高温高储能应用环境的技术问题。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

3、一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料,包括名义化学式为(ba0.85-1.275xla0.85xbi0.15)(mg0.1125w0.0375ti0.85)o3-y wt.％mno2，且化学式中的x为原子比，0.00≤x≤0.05,化学式中的y为质量分数，0.00≤y≤0.30。

4、本发明还提供了上述低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料的制备方法，具体步骤如下：

5、步骤1：以baco3，tio2，bi2o3，mgo，wo3，la2o3和mno2作为原料，按照(ba0.85-1.275xla0.85xbi0.15)(mg0.1125w0.0375ti0.85)o3-ywt.％mno2(0.00≤x≤0.05，0.00≤y≤0.30，式中的x为原子比，y为质量分数)化学配比进行称量配料后以无水乙醇为球磨介质，球磨混合均匀后烘干；

6、步骤2：将步骤1制得的烘干后的混合粉体于800℃–900℃煅烧2h-3h，制得预烧后的陶瓷粉体；

7、步骤3：将步骤2制得的预烧后的陶瓷粉体粉碎，再以无水乙醇为球磨介质，在球磨罐中球磨混合均匀、烘干、研磨成微米级粉状；

8、步骤4：将步骤3制备的粉体加入5wt.％的pva粘结剂，造粒、压片、排胶后得到陶瓷块胚体；

9、步骤5：将陶瓷素胚体在1150℃–1250℃温度烧结2h-5h，得到相应的低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料。

10、优选地，所述步骤1中所有原料的纯度为≥99％。

11、优选地，所述步骤1中球磨时间为6h-12h，烘干温度为70℃-100℃，烘干时间为24h-48h。

12、优选地，所述步骤3中球磨时间为6h-12h，烘干温度为70℃-100℃，烘干时间为24h-48h。

13、优选地，所述步骤4中压片模具的直径为10mm-15mm，压力为1mpa-2mpa，保压时间为15s-45s。

14、优选地，所述步骤4中排胶温度为550℃-650℃，排胶时间为1.5h-2.5h。

15、优选地，所述步骤4中，步骤3制备的粉体与pva粘结剂的质量比为10:1。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、本发明样品制备采用传统的固相烧结法，不需要特殊的烧结工艺(例如热压烧结、冷烧结、两步烧结(tss)粘性聚合物工艺(vpp)等)，因此不需要特殊设备提供高压、高温或电场，普通的马弗炉即可烧结，制备方法简单、工艺成本低，本发明所用原料以baco3，tio2为主，再掺杂少量其他氧化物进行改性，所用原料简单易得，价格低廉，此外，本发明材料中不含有铅等有害成分，无毒无害，对环境友好、实用性强；

18、本发明样品具有高介电常数、高击穿场强和低介质损耗等优点，电介质陶瓷材料的总储能密度(w)、可恢复储能密度(wrec)和储能效率(η)可以由以下三个公式进行计算：

19、

20、

21、

22、其中：pmax为最大极化强度，pr为剩余极化强度，e为外加电场强度；

23、高介电常数、高击穿场强以及低损耗有利于获得更高的极化、纤细的p-e环(电滞回线)，从而获得更好的储能密度和更高的效率，饱和极化值和击穿电场呈负相关，较高的介电常数能够保证获得高的饱和极化，击穿电场的提高有利于储能密度的进一步提升，低损耗意味着能量损耗低，可以在获得高储能密度的同时保持高效率，本发明实例一中样品的储能密度可达3.70j/cm3，具有优异的储能性能，同时，本发明还兼具优良的温度稳定性和频率稳定性，符合eiax9r标准，具有良好的产业化前景。

24、以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。

技术特征：

1.一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料，其特征在于,包括名义化学式为(ba0.85-1.5xlaxbi0.15)(mg0.1125w0.0375ti0.85)o3 - y wt.% mno2 ，且化学式中的x为原子比，0.00 ≤ x≤ 0.0，化学式中的y为质量分数，0.00 ≤ y ≤ 0.30。

2.一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述的一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料制备方法，其特征在于，所述步骤1中所有原料的纯度为≥99％。

4.根据权利要求2所述的一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料制备方法，其特征在于，所述步骤1中球磨时间为6h-12h，烘干温度为70℃-100℃，烘干时间为24h-48h。

5.根据权利要求2所述的一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料制备方法，其特征在于，所述步骤3中球磨时间为6h-12h，烘干温度为70℃-100℃，烘干时间为24h-48h。

6.根据权利要求2所述的一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料制备方法，其特征在于，所述步骤4中压片模具的直径为10 mm-15 mm，压力为1mpa-2mpa，保压时间为15s-45s。

7.根据权利要求2所述的一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料制备方法，其特征在于，所述步骤4中排胶温度为550℃-650℃，排胶时间为1.5h-2.5h。

8.根据权利要求2所述的一种低损耗x9r型无铅陶瓷电容器材料制备方法，其特征在于，所述步骤4中，步骤3制备的粉体与pva粘结剂的质量比为10:1。

技术总结
本发明公开了一种低损耗X9R型无铅陶瓷电容器材料及其制备方法，属于介电储能陶瓷材料的技术领域，包括名义化学式为(Ba<subgt;0.85‑</subgt;<subgt;1.275x</subgt;La<subgt;0.85x</subgt;Bi<subgt;0.15</subgt;)(Mg<subgt;0.1125</subgt;W<subgt;0.0375</subgt;Ti<subgt;0.85</subgt;)O<subgt;3</subgt;‑y wt.%MnO<subgt;2</subgt;，由五个步骤，得到低损耗X9R型无铅陶瓷电容器材料，通过本发明，实现了制备工艺更加的简单，大大降低成本，有优异的储能性能，储能密度可达3.70 J/cm<supgt;3</supgt;，且温度稳定性和频率稳定性好，符合EIAX9R标准，不含铅等有害成分，对环境友好，具有良好的产业化前景。

技术研发人员：周聪,刘广奥,冯海鹏,云飞虎,左如忠
受保护的技术使用者：安徽工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16