[發明專利]一種高介電低損耗絕緣鈦酸銅鈣陶瓷的制備方法

有效

• 申請號: 200910093141.1
• 申請日: 2009-09-29
• 公開（公告）號: CN101671174A
• 公開（公告）日: 2010-03-17
• 發明（設計）人: 何金良;雒風超;胡軍;曾嶸;陳水明
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C04B35/622
• 分類號: C04B35/622;C04B35/462
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所（普通合伙）
• 代理人: 羅文群

技術領域

本發明涉及一種高介電低損耗絕緣鈦酸銅鈣陶瓷的制備方法，屬于高介電陶瓷材料技 術領域。

背景技術

鈦酸銅鈣，其化學式為CaCu₃Ti₄O₁₂(以下簡稱CCTO)，是近期引起廣泛關注的新型功 能陶瓷材料。2000年，CCTO被發現具有極大的相對介電常數，隨即成為學術界的研究熱 點之一。人們對其結構和機理進行了深入研究，對提高其使用性能進行了多方面的探索。

該材料具有的高介電性質使其可以應用在高介電電容器，薄膜器件，高密度能量存儲 等一系列高新技術領域。

但是，CCTO具有的一些性質阻礙了其在工業生產中的應用。首先，CCTO的漏電流太 大。使用已有工藝生產的樣品的漏電流都在50μA(5V)以上(附圖1)。其次，CCTO的 介電損耗太大，以已有工藝制備的樣品的損耗在大部分頻率范圍內都在0.1以上(附圖2)。 漏電流和介電損耗過大的主要效應是會消耗電能而導致器件的大量發熱。這對微型化和集 成化的電子器件來說是不可接受的。

已有文獻中大多采用球磨混合，固相燒結的工藝，在1000-1100攝氏度燒結2-24個 小時得到樣品。有部分報道采用溶膠凝膠法制備原料，或者采用微波燒結等燒結手段，得 到的樣品性能均大同小異。國內外學者通過摻雜其他物質或者與其他物相復合等工藝可以 在一定程度上降低CCTO的漏電流和介電損耗，但是會導致工藝的復雜化和成本的增加。

發明內容

本發明的目的是提出的一種高介電低損耗絕緣鈦酸銅鈣陶瓷的制備方法，以控制其相 對介電常數在10³以上，在10²Hz至10⁵Hz范圍內的介電損耗在0.1以下，從而使該材料體 系更適于工業應用。

本發明提出的高介電低損耗絕緣鈦酸銅鈣陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

(1)原料配制和混合：

鈦酸銅鈣陶瓷采用CaCO₃或CaO、CuO及TiO₂為初始原料，其中各物質的質量比為： CaCO₃∶CuO∶TiO₂＝1∶(2.27-2.50)∶(3.03-3.35)或CaO∶CuO∶TiO₂＝1∶(4.05 -4.48)∶(5.42-5.99)；

將上述原料按上述質量比混合2-24小時后干磨，或混合后濕磨2-24小時，并干燥；

(2)預燒和研磨：

將上述混磨后的物料在800℃至950℃下預燒2-24小時，隨爐冷卻，將預燒之后的 硬塊敲碎后研磨2-24小時以上，或濕磨2-24小時后，干燥過篩；

(3)成型：

將上述預燒和研磨后的粉料制成具有設定形狀的坯體；

(4)燒結：

將上述坯體從室溫升溫至燒結溫度960℃-990℃，在燒結溫度下保溫1-24小時， 使陶瓷燒結致密。

本發明提出的高介電低損耗絕緣鈦酸銅鈣陶瓷的制備方法，將工藝過程中的燒結溫度 嚴格控制在960℃-990℃的區間內，使得CCTO陶瓷完成致密化過程，同時又不致發生銅 元素的還原反應而導致瓷體中大量載流子的產生，從而在根本上解決了CCTO電導率太大 的問題，使得瓷體近乎完全絕緣，大大降低了漏電流和介電損耗，為這種新材料的工業化 應用鋪平了道路。用這種工藝生產的材料的相對介電常數在10³以上，在10²Hz至10⁵Hz 范圍內的介電損耗在0.1以下，漏電流在5μA以下(在100V下測量)，從而使該材料體系 更適于工業應用。

因此，本發明的制備方法，通過嚴格控制工藝參數，可以控制該材料在燒結過程中的 結構變化和化學反應，從而達到控制其性能參數的目的。用本發明方法制備的陶瓷材料， 可以滿足工業應用的要求。同時，本發明制備方法相比于已有工藝，可以明顯降低能量消 耗，對環境友好并降低生產成本。

附圖說明

圖1是使用已有工藝二制備的CCTO陶瓷與本發明方法的實施例2制備的CCTO陶 瓷的直流IV特性對比圖。

圖2是使用已有文獻中工藝制備的CCTO陶瓷與實施例2的工藝制備的CCTO陶瓷 的介電損耗譜對比圖。

圖3是本方法實例2中CCTO陶瓷的燒結溫度曲線。