[發明專利]一種高溫穩定介質陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201811300433.3
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109231977B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 劉志甫;彭笑笑;李永祥
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/22
• 分類號: C04B35/22;C04B35/46
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種高溫穩定介質陶瓷材料及其制備方法，所述高溫穩定介質陶瓷材料具有榍石結構，其組成化學式為CaTi_1?xM1_0.5xM2_0.5xSiO₅，其中M1和M2為金屬離子，0＜x≤10%，優選3≤x≤5%。

技術領域

本發明涉及一種高溫穩定介質陶瓷材料及其制備方法，特別涉及一種高溫穩定的榍石結構多層陶瓷電容器電介質陶瓷材料及其制備方法，屬于功能陶瓷材料技術領域。

背景技術

多層陶瓷電容器(Multilayer Ceramic Capacitor，MLCC)作為隔直、耦合、旁路、濾波、調諧回路等的重要元件，大量應用于消費電子產品、無線通訊、汽車電子、武器裝備等諸多領域。尤其是航空航天、石油鉆探等領域都要求電子系統能夠在極端苛刻的環境下正常穩定工作，這要求MLCC能夠在200℃及以上的高溫下工作。所以，探索開發高介電溫度穩定的陶瓷電介質材料具有重要意義。

研究最多的高溫電容器介質材料是基于兩種或兩種以上鐵電體或弛豫鐵電體復合的介質材料。對于應用于200℃及以上的鐵電體或弛豫鐵電體陶瓷，以鈣鈦礦結構高介電常數材料為主要特征，雖然可以滿足200℃的溫度使用情況，但在當溫度超過復合介質中的一種材料的居里溫度以后，由于居里-外斯效應，介電常數會隨著溫度升降會有顯著波動，這對于材料在高溫下的長期穩定性有很大影響。

線性介質的介電常數通常不受外加電場的影響。所以，雖然線性電介質通常具有相對較低的介電常數，由于其高的介電擊穿強度和較大的帶隙，可以獲得高能量密度。因此，如果線性電介質能有好的高溫穩定性，則有望獲得能在高溫下工作的性能優良的高儲能密度的電容器介質材料。

文獻報導榍石結構材料Ca(Ti_0.85Zr_0.15)SiO₅(Applied Physics Letters，108，062902，2016)在300-780K之間具有優良的介電溫度穩定性和電絕緣特性，該溫度范圍類相對介電常數約為43，介電損耗小于0.05，在523K以下材料的電阻高于10¹¹Ω·cm，但榍石結構材料Ca(Ti_0.85Zr_0.15)SiO₅的相對介電常數較低。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種高溫穩定的電容器介質材料及其制備方法。

一方面，本發明提供了一種高溫穩定介質陶瓷材料，所述高溫穩定介質陶瓷材料具有榍石結構，其組成化學式為CaTi_1-xM1_0.5xM2_0.5xSiO₅，其中M1和M2為金屬離子，0＜x≤10％。

本發明通過對榍石結構陶瓷等電價共摻雜獲得相對高的介電常數，同時具有較小的介電損耗和高的絕緣電阻。通過與Ti離子不同離子半徑的M1和M2的摻雜，能夠有效地平衡電價，并使晶格發生扭轉。本發明還通過砂磨等方式改善晶粒尺寸，獲得較大的擊穿強度，從而獲得較好的儲能密度。此外，本發明采用Ti位的三價M1和五價M2等量摻雜，實現等電價共摻，避免榍石結構反鐵電相的產生，提高了介質材料的介溫穩定性。

較佳地，采用兩種金屬離子M1和M2共同取代Ti離子，M1和M2兩種金屬離子平均電價之和為+4。

較佳地，M1為Al、Ga、In三族金屬元素中的至少一種，M2為Nb、Ta五族元素中的至少一種。本發明通過等量摻雜與Ti離子不同離子半徑的三價M1和五價M2，能夠有效地平衡電價，并使晶格發生扭轉。此外，摻雜元素(M1為Al、Ga、In中的一種，M2是Nb、Ta中的一種)的加入還能抑制榍石結構材料的本征相變，使其在室溫至300℃范圍內獲得穩定的介電性能。

較佳地，所述高溫穩定介質陶瓷材料在25～300℃下的介電常數為38～57，優選為47～53。