一種低介電損耗的無鉛玻璃陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低介電損耗的無鉛玻璃陶瓷及其制備方法，該玻璃陶瓷適合于制 備電容量需求不大（pF或nF級(jí)）的高壓陶瓷電容器，尤其適合制備電容耐壓要求高、工作 壽命要求長等條件下使用的高壓陶瓷電容器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，薄膜類、油浸類高壓電容器占據(jù)著電力系統(tǒng)用高壓互感器、避雷器，W及沖 擊電流發(fā)生器、X光機(jī)、激光設(shè)備等各種設(shè)備中高壓電容的主流市場(chǎng)。根據(jù)電容未來發(fā)展戰(zhàn) 略，使用壽命不長、體積鹿大、易燃易爆的傳統(tǒng)薄膜類或油浸類高壓電容，將被新一代壽命 長、可靠性好、體積小的高壓電容產(chǎn)品所替代。該無疑給高壓陶瓷電容器一個(gè)良好的發(fā)展機(jī) 遇，因?yàn)楦邏禾沾呻娙萜鞯娜虘B(tài)特征，它安全性、可靠性高，同時(shí)陶瓷電容器的穩(wěn)定性和 長壽命特征使其越來越受到重視，并已經(jīng)在一定范圍內(nèi)取代了薄膜類和油浸類電容器。
[0003] 傳統(tǒng)高壓陶瓷電容器的電介質(zhì)材料主要為鐵酸餓頓或經(jīng)過成分微調(diào)后改進(jìn)的成 分體系，如編號(hào)為"N4700"等燒結(jié)陶瓷。該類陶瓷介質(zhì)通常具有較高的介電常數(shù)，且介電常 數(shù)在一定溫度和頻率范圍內(nèi)可W通過配方的調(diào)整或工藝的改進(jìn)，使得陶瓷介電常數(shù)在保持 較大值的情況下具有較好的溫度和頻率穩(wěn)定性。但是由于該類陶瓷介質(zhì)燒結(jié)殘留的孔隙導(dǎo) 致陶瓷耐壓性能不高，材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般小于lOkV / mm,難W完全滿足未來電容器高耐 壓的需求。
[0004] 玻璃陶瓷是一種高溫烙融的玻璃體經(jīng)快速冷卻，再加熱結(jié)晶內(nèi)部析出高介電陶瓷 顆粒后的新型介電復(fù)合材料，近年來倍受高壓陶瓷電容器行業(yè)關(guān)注的。因?yàn)椴ＡЩw本身 具有高致密性和極少的孔隙率的特點(diǎn)，材料擊穿強(qiáng)度也會(huì)很高，因而玻璃陶瓷復(fù)合材料兼 具高介電常數(shù)和高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的雙重特點(diǎn)。由于玻璃陶瓷材料介電常數(shù)在室溫附近溫度范圍 內(nèi)變化率極小，擊穿強(qiáng)度比傳統(tǒng)燒結(jié)陶瓷高一個(gè)數(shù)量級(jí)W上，因而在高壓陶瓷電容器領(lǐng)域 展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。就目前而言，世界范圍內(nèi)關(guān)注較多，研究報(bào)道較頻繁的此類材 料W二氧化娃基-魄酸鹽陶瓷析出相玻璃陶瓷為主，該類材料不僅多含有污染環(huán)境的鉛元 素，還由于堿金屬離子的引入導(dǎo)致材料的介質(zhì)損耗角正切始終難W小于1%，嚴(yán)重地影響了 W該類材料為介質(zhì)制備的電容器的使用壽命。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有適中的介電常數(shù)、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)，尤其具有極低的 介電損耗的無鉛玻璃陶瓷，該玻璃陶瓷材料適合作為高壓陶瓷電容器的介質(zhì)。
[0006] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述無鉛玻璃陶瓷的制備方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0008] 一種低介電損耗的無鉛玻璃陶瓷，其成分組成為；aBa〇-bSr〇-cNb2〇5-dZn〇-xSi化 -ylWzREO,其中，a、b、C、d、X、y、Z為摩爾比表示成分之間的摩爾比，RE0表示稀±氧化 物；且滿足；〇《a《10. 35,9. 97《b《20. 70, 20. 19《C《20. 70,14. 80《d《15. 50， 14. 56《X《15. 00,27. 51《y《28. 10,0《z《3. 00。
[0009] 所述稀±氧化物優(yōu)選為Gda化和/或La2化。
[0010] 一種所述低介電損耗的無鉛玻璃陶瓷的制備方法，包括W下步驟：
[0011] (1)根據(jù)所述玻璃陶瓷的成分組成選擇原料，按照所述玻璃陶瓷各成分的摩爾比 例進(jìn)行配比稱量，將配好的原料用翻轉(zhuǎn)混料機(jī)混合6~8小時(shí)，然后將混合均勻的原料在 1250~130(TC的高溫下烙融2~3小時(shí)；
[0012] (2)將烙融均勻的玻璃液體快速倒入450~50(TC預(yù)熱的金屬模具中，冷卻成型后 放入已加熱至450~50(TC的退火爐中進(jìn)行去應(yīng)力退火，得到玻璃片；
[001引 做將玻璃片進(jìn)行可控結(jié)晶處理，該過程分為兩步；首先在500~60(TC保溫2~ 3小時(shí)，促使主陶瓷相均勻形核，然后緩慢升溫到700~85(TC保溫3~5小時(shí)使晶核均勻 長大，得到W魄酸鹽陶瓷相為主的低介電損耗的無鉛玻璃陶瓷。
[0014] 在所述制備方法中，在選擇原料時(shí)，與成分BaO對(duì)應(yīng)的原料可W選擇BaO、BaC〇3、 Ba (OH) 2 或 Ba (N03) 2,與成分 SrO 對(duì)應(yīng)的原料可 W選擇 SrO、SrC〇3、Sr (OH) 2 或 Sr (N03) 2,與 成分B203對(duì)應(yīng)的原料可W選擇B203或郵〇3,與成分REO對(duì)應(yīng)的原料可W選擇Gd2〇3和/或 La2化，其余成分可選擇相應(yīng)的氧化物。
[0015] 所述各原料均為分析純。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] 本發(fā)明的玻璃陶瓷實(shí)現(xiàn)了無鉛元素、環(huán)境友好，其交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到18kV / mm W上，介電常數(shù)在60~90之間。本發(fā)明的玻璃陶瓷中也不含堿金屬元素，因而其介電損耗 可降低至0.02%，介電常數(shù)的頻率穩(wěn)定性好，適合作為高壓電容器介質(zhì)。
【附圖說明】
[0018] 圖1為實(shí)施例2中得到的玻璃陶瓷的介電常數(shù)與損耗隨頻率變化曲線。
[0019] 圖2為實(shí)施例2中得到的玻璃陶瓷的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)巧IJ試值與平均值。
[0020] 圖3為實(shí)施例4中得到的玻璃陶瓷的介電常數(shù)與損耗隨頻率變化曲線。
[0021] 圖4為實(shí)施例4中得到的玻璃陶瓷的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試值與平均值。
【具體實(shí)施方式】
[0022] W下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023] 實(shí)施例1
[0024] 選擇分析純的5扣〇3、佩2〇5、211〇、51化、&8〇3為原料，按照表1中的各組分摩爾比例 進(jìn)行分別配料，W氧化鉛球作為研磨介質(zhì)，在尼龍罐中利用翻轉(zhuǎn)混料機(jī)干混6小時(shí)，將混合 粉料取出。將混合均勻的原料在125CTC的笛金巧巧中烙融攬拌2小時(shí)，再將烙融均勻的玻 璃液體快速倒入45(TC預(yù)熱的鋼制金屬模具中，冷卻成型后放入已加熱至45CTC的退火爐 中進(jìn)行去應(yīng)力退火，保溫約6小時(shí)后，關(guān)掉退火爐，隨爐冷卻。
[0025] 將烙體快速冷卻制備的透明玻璃片進(jìn)行可控結(jié)晶處理，該過程分為兩步；首先在 50(TC溫度范圍內(nèi)保溫3小時(shí)，促使主陶瓷相均勻形核，然后緩慢升溫到70(TC保溫3小時(shí)使 晶核均勻長大，得到W魄酸鹽陶瓷相為主的玻璃陶瓷介質(zhì)。將經(jīng)過結(jié)晶熱處理得到的玻璃 陶瓷片進(jìn)行機(jī)械加工，包括切割、磨邊、研磨、拋光，制得表面光滑（表面粗趟度達(dá)到RaO. 1) 且具有規(guī)則形狀的厚度為1mm左右的玻璃陶瓷片。
[002引 實(shí)施例2
[0027] 選擇分析純的 BaC〇3、SrC〇3、Nb2〇5、ZnO、Si〇2、H3B〇3、REO 為原料，其中，RE0 為 La2〇3， 按照表1中的各組分摩爾比例進(jìn)行分別配料，W氧化鉛球作為研磨介質(zhì)，在尼龍罐中利用 翻轉(zhuǎn)混料機(jī)干混8小時(shí)，將混合粉料取出。將混合均勻的原料在130(TC的笛金巧巧中烙融 攬拌3小時(shí)，再將烙融均勻的玻璃液體快速倒入50(TC預(yù)熱的鋼制金屬模具中，冷卻成型后 放入已加熱至50(TC的退火爐中進(jìn)行去應(yīng)力退火，保溫約6小時(shí)后，關(guān)掉退火爐，隨爐冷卻。
[0028] 將烙體快速冷卻制備的透明玻璃片進(jìn)行可控結(jié)晶處理，該過程分為兩步；首先在 55(TC溫度范圍內(nèi)保溫3小時(shí)，促使主陶瓷相均勻形核，然后緩慢升溫到74CTC保溫3小時(shí)使 晶核均勻長大，得到W魄酸鹽陶瓷相為主的玻璃陶瓷介質(zhì)。將經(jīng)過結(jié)晶熱處理得到的玻璃 陶瓷片進(jìn)行機(jī)械加工，包括切割、磨邊、研磨、拋光，制得表面光滑（表面粗趟度達(dá)到RaO. 1) 且具有規(guī)則形狀的厚度為1mm左右的玻璃陶瓷片。在該種陶瓷片上制作測(cè)試電極后，可W 測(cè)得圖1所示的介電常數(shù)與損耗隨頻率變化曲線，在50化~IMHz測(cè)試條件下，它的介電常 數(shù)分布81~83之間，