[發明專利]一種具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質及其制備方法

無效

• 申請號: 201110355269.8
• 申請日: 2011-11-10
• 公開（公告）號: CN103102079A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 杜軍;張慶猛;羅君;唐群;韓東方;周毅
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: C03C10/02
• 分類號: C03C10/02;C03B32/02
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 薄觀玖

技術領域

本發明屬于適合于高壓直流環境使用的玻璃陶瓷電介質技術領域，特別涉及一種具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質及其制備方法，該玻璃陶瓷電介質適合作為高壓電容器介質。

背景技術

高壓電容器是高壓、大功率脈沖設備中不可缺少的電子元件之一。隨著高壓設備小型化、輕型化的發展需求，對高壓電容器提出了高耐壓強度、高儲能、高穩定性等要求。

目前高壓陶瓷電容器，瓷芯主要為BaTiO₃、SrTiO₃系燒結陶瓷，該類陶瓷介質通常具有較高的介電常數，且介電常數在一定溫度和頻率范圍內可以通過配方的調整或工藝的改進，使得陶瓷介電常數在保持較大值的情況下具有較好的溫度和頻率穩定性。但是由于該類陶瓷介質采用傳統粉末燒結工藝制備，在燒結過程中，氣孔很難完全消除，最終殘留在燒結體中形成孔隙。而孔隙是影響陶瓷擊穿場強的最主要因素之一，因此，采用高溫固相燒結工藝制備的陶瓷通常耐壓性能不高，擊穿場強一般在10kV/mm左右。如何消除孔隙，制備出完全致密的陶瓷體是提高高壓陶瓷電容器耐壓性能的關鍵。

玻璃陶瓷又稱微晶玻璃，是將特定組分的基礎玻璃，通過可控結晶技術制得的一類含有大量微晶陶瓷相和玻璃相的復合材料。它采用完全不同于燒結陶瓷的制備工藝，通過高溫熔融-快速冷卻，制備出完全致密的玻璃基體，然后在一定溫度下保溫，析出高介電常數的陶瓷相，通過該工藝制備的玻璃陶瓷既具有高介電常數，同時由于消除了孔隙，從而實現了高擊穿場強。鈮酸鹽體系玻璃陶瓷由于其具有高擊穿場強、高介電常數、良好溫度穩定性在高壓陶瓷電容器領域展現出了良好的應用前景。

發明內容

針對現有的上述技術問題，本發明提供一種具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質及其制備方法。

所述具有高擊穿場強的玻璃陶瓷電介質，成分組成為：xPbO-yBaO-zSrO-aNb₂O₅-bNa₂O-cSiO₂-dR，且滿足0≤x≤17.1，0≤y≤17.5，0≤z≤14.3，10.7≤a≤34，11≤b≤25.4，28≤c≤47，0≤d≤4.5，其中，R作為輔成分，為MnO₂，MgO，CaO，ZnO中的至少一種氧化物，x、y、z、a、b、c、d為摩爾比。

該玻璃陶瓷的制備方法包括以下步驟：

1)以PbO，BaCO₃、Ba(OH)₂或Ba(NO₃)₂中的任意一種，SrCO₃、Sr(OH)₂或Sr(NO₃)₂中的任意一種，Nb₂O₅，Na₂CO₃、NaOH或NaNO₃中的任意一種，SiO₂，以及R為原料，按照所述摩爾比例進行配料，利用翻轉混料機混合4-7小時，然后將混合均勻的原料在1300-1450℃的高溫下保溫2-3小時；

2)采用以下任意一種方式獲得玻璃片：

將熔融均勻的玻璃液快速倒入400-550℃提前預熱的金屬模具中，成型后放入退火爐中進行去應力退火；

或將熔融的玻璃液倒入轉動的壓延機兩滾軸之間，軋制出0.5-1mm厚的玻璃薄片；

或將熔融的玻璃液倒入去離子水中進行水淬，制得玻璃碎渣，經球磨制得玻璃粉，然后將其壓制成0.5-1mm厚度的圓薄片；

3)將步驟2)中制備的玻璃片進行可控結晶，該過程分為兩步：首先在600-700℃溫度范圍內保溫2-3小時，促使主陶瓷相均勻形核，然后緩慢升溫到800-950℃保溫2-3小時使晶核均勻長大，得到以鈮酸鹽陶瓷相為主的玻璃陶瓷電介質。

將結晶后得到的玻璃陶瓷片進行切割、研磨、拋光，制得表面光滑、形狀規則的圓片，在圓片兩面分別鍍一層Ni膜，作為電極。可得到簡易的平行板電容樣品。

本發明的優勢在于本發明的玻璃陶瓷電介質為鈮酸鹽體系玻璃陶瓷，具有高擊穿場強、高介電常數、良好的介電常數溫度穩定性，實現了無孔隙，直流擊穿場強可達到50kV/mm以上，介電常數在150-600之間，直流電阻率大于10¹¹Ω·m，介電常數的穩定性好，適合作為高壓電容器的介質。

附圖說明

圖1.3、7、8號樣品850℃熱處理的透射電鏡照片。