一種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】一種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料及其制備方法，將SrCO3，BaCO3，Nb2O5，CaCO3，SiO2、H3BO3以及BaF2混合均勻，在1300-1400℃熔融均勻，然后成型，迅速退火，得到退火后玻璃；將退火后玻璃在其晶化溫度下進(jìn)行晶化處理，然后隨爐冷卻，即得到鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料。本發(fā)明采用熔融法制備鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料方法簡便，成型方法較多。將鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料進(jìn)行處理后對其進(jìn)行XRD、SEM以及EDS測試，證明本發(fā)明制備的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料具有高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)和低的介電損耗的鐵電玻璃陶瓷。
【專利說明】一種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種玻璃陶瓷材料及其制備方法，特別是一種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著信息技術(shù)和電子科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對可以有效的減小高壓電容器體積的具有高儲能密度的介電材料需求迫切，對電子設(shè)備提出更高的使用要求，例如輕型化以及小型化，高儲能材料也就應(yīng)運而生。鐵電玻璃陶瓷是由高介電常數(shù)的鐵電相與玻璃相組成的具有鐵電性能的功能材料，它集中了玻璃和陶瓷的優(yōu)點，內(nèi)部結(jié)晶構(gòu)造比許多陶瓷材料中的晶體要細(xì)得多，且更加均與致密，幾乎沒有氣孔，介電損耗非常小，因此利用微晶玻璃法制備的玻璃陶瓷具備玻璃態(tài)物質(zhì)的高擊穿強(qiáng)度與介電陶瓷體系的高介電常數(shù)的雙重優(yōu)勢，成為了高儲能介質(zhì)材料研究的熱點。
[0003]SBN玻璃陶瓷由于具備高的擊穿場強(qiáng)而被用作高儲能材料。目前玻璃基體大多為SiO2，其使熔融溫度高達(dá)1500°C，H3BO3的加入可以使熔融溫度大幅度降低。CaO在高溫時降低玻璃的黏性，促使玻璃的融化和澄清，使玻璃的結(jié)晶傾向增大。因此，選擇CaO-SiO2-B2O3(CBS)體系作為玻璃基體。玻璃的加入減小了材料的孔隙率，增大了材料的擊穿場強(qiáng)，但是也降低了結(jié)晶傾向，相對較低的結(jié)晶傾向會限制了作為儲能材料的應(yīng)用。因此，為了提高玻璃陶瓷的結(jié)晶傾向，引入 有效的成核劑去提高SBN玻璃陶瓷的結(jié)晶度是很有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料及其制備方法，該方法實驗操作簡單、原料高度均勻反應(yīng)，且制得的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料具有擊穿場強(qiáng)高、介電常數(shù)高，且鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料孔隙率小。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料，包括摩爾比為12:12:24:2x:2x:3x:3 的 SrO、BaO> Nb2O5、CaO> SiO2> B2O3 以及 BaF2,且 x=5 ~8。
[0006]一種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料是由摩爾比為12:12:24:2x:2x:6x:3 的 SrCO3, BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3 以及 BaF2 經(jīng)熔融、成型、退火及晶化處理制得的。
[0007]—種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟:
[0008]I)將 SrCO3, BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3 以及 BaF2 按照 12Sr0-12Ba0_24Nb203-2xCa0-2xSi02-3xB203-3BaF2摩爾比混合均勻，得到混合物；其中，x=5~8 ;
[0009]2)將坩堝隨爐加熱至1100°C，開始加入混合物，然后繼續(xù)加熱至1300-1400°C，在1300-1400°C下保溫使混合物熔融均勻，得到混合熔融料；將混合熔融料在模具上成型，再放入爐中于600-800°C下退火，得到退火后玻璃；[0010]3)退火后玻璃在其晶化溫度下保溫進(jìn)行晶化處理，得到鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料。
[0011]所述的步驟I)中x=5、6、7或8。
[0012]所述的步驟3)中的晶化溫度是將退火后玻璃經(jīng)DTA差熱分析測試確定的。
[0013]當(dāng)x=5時，退火后玻璃的晶化溫度為1035 °C ;當(dāng)x=6時，退火后玻璃的晶化溫度為973°C ;當(dāng)x=7時，退火后玻璃的晶化溫度為935°C ;當(dāng)x=8時，退火后玻璃的晶化溫度為875。。。
[0014]所述的步驟3)中晶化處理時間為3_6h。
[0015]所述的步驟2)中的退火時間為4_7h。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:[0017]本發(fā)明制備方法實驗操作簡單，且成型方法多；制得的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料具有氣孔率極小，經(jīng)試驗證明，本發(fā)明制得的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料內(nèi)部均勻生成的桃花狀鱗石英晶體使得材料擊穿場強(qiáng)高；同時，本發(fā)明還合理控制鐵電鈮酸鍶鋇晶體與玻璃含量的比例，生成高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)和低的節(jié)點損耗的鐵電玻璃陶瓷。
[0018]另外，由于在制備過程中加入了 BaF2作為成核劑，BaF2可促使玻璃成核，氟化物的微晶體就是玻璃的成核中心；同時，BaF2的晶核形成溫度，低于晶體生長溫度，因此，經(jīng)BaF2核化、晶化的玻璃晶粒細(xì)小，且促進(jìn)鈮酸鍶鋇晶體的析出。而且，本發(fā)明選擇CaO-SiO2-B2O3作為玻璃基體，B2O3是由H3BO3的加入引進(jìn)的，與目前玻璃基體大多為SiO2的熔融溫度(高達(dá)1500°C)相比，成803可以使融融溫度大幅度降低，CaO是網(wǎng)絡(luò)外體氧化物，主要作用是削弱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于玻璃在較低的溫度下熔制和燒結(jié)，在高溫時降低玻璃的黏性，促使玻璃的融化和澄清，使玻璃的結(jié)晶傾向增大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實施例3制備的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的X-射線衍射(XRD)圖譜；
[0020]圖2是本發(fā)明實施例3制備的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的SEM圖；
[0021]圖3是本發(fā)明實施例3制備的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料中桃花形狀的EDS圖；
[0022]圖4是本發(fā)明實施例3制備的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料中桃花形狀周邊的EDS圖。
【具體實施方式】
[0023]實施例1:
[0024]本實施例中鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料包括摩爾比為12:12:24:10:10:15:3的SrO、BaO、Nb2O5、CaO、Si02、B2O3 以及 BaF2。
[0025]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料是由摩爾比為12:12:24:10:10:30:3的SrCO3,BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3以及BaF2經(jīng)熔融、成型、退火及晶化處理制得的。
[0026]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法包括如下步驟:
[0027]I)將 SrCO3、BaCO3、Nb2O5' CaCO3、Si02、H3BO3 以及 BaF2 按照 12:12:24:10:10:30:3混合均勻，得到混合物；
[0028]2)將石英坩堝隨爐加熱從室溫至1100°C時，開始加入混合物，然后繼續(xù)加熱到13500C，并在1350°C下保溫30min使混合物熔融均勻，得到混合熔融料；將混合熔融料在銅板上成型，再迅速放入爐中于600°C下退火7h，得到退火后玻璃；[0029]3)通過取少量退火后玻璃研成粉末做DTA差熱分析測試，得到退火后玻璃的晶化溫度為1035°C，在該溫度下保溫4h進(jìn)行晶化處理，然后隨爐冷卻到室溫，得到塊狀的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料。
[0030]將本實施例得到的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷用切割機(jī)切至厚度為0.1-0.2mm的薄片，薄片經(jīng)打磨、清洗后，在薄片正反兩面均勻涂覆銀電極漿料，于60(TC燒結(jié)20分鐘，得到待測玻璃陶瓷樣品。
[0031]實施例2:
[0032]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料包括摩爾比為12:12:24:12:12:18:3的SrO、BaO、Nb2O5、CaO、Si02、B2O3 以及 BaF2。
[0033]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料是由摩爾比為12:12:24:12:12:36:3的SrCO3,BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3以及BaF2經(jīng)熔融、成型、退火及晶化處理制得的。
[0034]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法包括如下步驟:
[0035]I)將 SrCO3, BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3 以及 BaF2 按照 12:12:24:12:12:36:3混合均勻，得到混合物；
[0036]2)將石英坩堝從室溫隨爐加熱至1100°C時，開始加入混合物，然后繼續(xù)加熱到13500C，并在1350°C下保溫30min 使混合物熔融均勻，得到混合熔融料；將混合熔融料在銅板上成型，再迅速放入爐中于600°C下退火7h，得到退火后玻璃；
[0037]3)通過取少量退火后玻璃研成粉末做DTA差熱分析測試，得到退火后玻璃的晶化溫度為973°C，在該溫度下保溫4h進(jìn)行晶化處理，然后隨爐冷卻至室溫，得到塊狀的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料。
[0038]將本實施例得到的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷用切割機(jī)切至厚度為0.1-0.2mm的薄片，薄片經(jīng)打磨、清洗后，在薄片正反兩面均勻涂覆銀電極漿料，于60(TC燒結(jié)20分鐘，得到待測玻璃陶瓷樣品。
[0039]實施例3:
[0040]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料包括摩爾比為12:12:24:14:14:21:3的SrO、BaO、Nb2O5、CaO、Si02、B2O3 以及 BaF2。
[0041]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料是由摩爾比為12:12:24:14:14:42:3的SrCO3,BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3以及BaF2經(jīng)熔融、成型、退火及晶化處理制得的。
[0042]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法包括如下步驟:
[0043]I)將 SrCO3, BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3 以及 BaF2 按照 12:12:24:14:14:42:3的摩爾比混合均勻，得到混合物；
[0044]2)將石英坩堝從室溫隨爐加熱至1100°C時，開始加入混合物，然后繼續(xù)加熱到13500C，并在1350°C下保溫30min使混合物熔融均勻，得到混合熔融料；將混合熔融料在銅板上成型，再迅速放入爐中于600°C下退火7h，得到退火后玻璃；
[0045]3)通過取少量退火后玻璃研成粉末做DTA差熱分析測試，得到退火后玻璃的晶化溫度為935°C，在該溫度下保溫4h進(jìn)行晶化處理，然后隨爐冷卻至室溫，得到塊狀的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料；
[0046]將本實施例得到的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷用切割機(jī)切至厚度為0.1-0.2mm的薄片，薄片經(jīng)打磨、清洗后，在薄片正反兩面均勻涂覆銀電極漿料，于60(TC燒結(jié)20分鐘，得到待測玻璃陶瓷樣品。
[0047]如圖1所示，該實施例3中生成了非常純的鈮酸鍶鋇晶體，且晶體數(shù)量大，同時，有少量的SiO2晶體析出。如圖2-4所示，實施例3所制備的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷的SEM照片和EDS照片中顏色相對較深的桃花狀為SiO2,其他為鈮酸鍶鋇晶體。桃花狀SiO2均勻生成，表明鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷內(nèi)部玻璃與鐵電鈮酸鍶鋇晶體均勻分布，熔融法制備玻璃陶瓷氣孔率極小。
[0048]實施例4:
[0049]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料包括摩爾比為12:12:24:16:16:24:3的SrO、BaO、Nb2O5、CaO、Si02、B2O3 以及 BaF2。
[0050]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料是由摩爾比為12:12:24:16:16:48:3的SrCO3,BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3以及BaF2經(jīng)熔融、成型、退火及晶化處理制得的。
[0051]本實施例鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法包括如下步驟:
[0052]I)將 SrCO3, BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3 以及 BaF212:12:24:16:16:48:3 的摩爾混合均勻，得到混合物；
[0053]2)將石英坩堝從室溫隨爐加熱至1100°C時，開始加入混合物，然后繼續(xù)加熱到13500C，并在1350°C下保溫30min使混合物熔融均勻，得到混合熔融料；將混合熔融料在銅板上成型，再迅速放入爐中于600°C下退火7h，得到退火后玻璃；
[0054]3)通過少量退火后玻璃研成粉末后做DTA差熱分析測試，得到退火后玻璃的晶化溫度為875°C，在該溫度下保溫4h進(jìn)行晶化處理，然后隨爐冷卻至室溫，得到塊狀的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料。
[0055]將本實施例得到的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷用切割機(jī)切至厚度為0.1-0.2mm的薄片，薄片經(jīng)打磨、清洗后，在薄片正反兩面均勻涂覆銀電極漿料，于60(TC燒結(jié)20分鐘，得到待測玻璃陶瓷樣品。
[0056]表一制備的待測玻璃陶瓷樣品的介電性能測試數(shù)據(jù)(IkHz)
[0057]
【權(quán)利要求】
1.一種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料，其特征在于:包括摩爾比為12:12:24:2x:2x:3x:3 的 SrO> BaO、Nb2O5、CaO、Si02、B2O3 以及 BaF2,且 x=5 ~8。
2.一種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料，其特征在于:該鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料是由摩爾比為 12:12:24:2x:2x:6x:3 的 SrCO3, BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3以及BaF2經(jīng)熔融、成型、退火及晶化處理制得的。
3.一種高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
1)將SrCO3, BaCO3, Nb2O5, CaCO3, SiO2, H3BO3 以及 BaF2 按照 12Sr0-12Ba0_24Nb203-2xCa0-2xSi02-3xB203-3BaF2摩爾比混合均勻，得到混合物；其中，x=5~8 ; 2)將坩堝隨爐加熱至1100°C，開始加入混合物，然后繼續(xù)加熱至1300-140(TC，在1300-1400°C下保溫使混合物熔融均勻，得到混合熔融料；將混合熔融料在模具上成型，再放入爐中于600-800°C下退火，得到退火后玻璃； 3)退火后玻璃在其晶化溫度下保溫進(jìn)行晶化處理，得到鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于:所述的步驟I)中x=5、6、7或8。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于:所述的步驟3)中的晶化溫度是將退火后玻璃經(jīng)DTA差熱分析測試確定的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于:當(dāng)x=5時，退火后玻璃的晶化溫度為1035°C;當(dāng)x=6時，退火后玻璃的晶化溫度為973°C ;當(dāng)x=7時，退火后玻璃的晶化溫度為935°C ;當(dāng)x=8時，退火后玻璃的晶化溫度為875°C。`
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于:所述的步驟3)中晶化處理時間為3-6h。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高介電常數(shù)高擊穿場強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于:所述的步驟2)中的退火時間為4-7h。
【文檔編號】C03C10/02GK103880288SQ201410040185
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】蒲永平, 柳曉燕 申請人:陜西科技大學(xué)