[发明专利]一种纳米晶铌酸盐高温无铅电容器材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铌酸盐基高温无铅电容器材料及其制备方法，属于电介质领域。

背景技术

随着计算机、手机、汽车电子等领域的快速发展与更新，陶瓷电容器的地位与日俱增，在电容器市场已占主导地位，并向薄型化，小型化、高可靠和低成本的方向发展。商用的X7R电容器材料因具有良好的温度稳定性（-55°C至+125°C，容温变化率为±15%）而得到了广泛的应用。但是，温度一旦超过125°C，X7R电容器材料则不能提供稳定的介电性能。一些工作条件比较苛刻的领域如发动机控制系统、航空探测、钻井等，其耐高温电子设备要求其陶瓷电容器的温度高于200°C。

铌酸钠钾，K_0.5Na_0.5NbO₃,陶瓷材料因其具高的居里温度点（~420°C），作为一种应用前景广阔的无铅介电材料而备受关注。此外，铌酸钠钾陶瓷材料与已经成熟产业化的锆钛酸铅陶瓷电容器相比，在制备和应用过程中无污染，有利于环保。然而，铌酸盐陶瓷难以烧结致密，且温度稳定性不好。采用两步法烧结可以获得较为致密的铌酸钠钾陶瓷[D. Wang, K. Zhu, H. Jia, J. Qiu, Two-Step Sintering of the Pure K_0.5Na_0.5NbO₃ Lead-Free Piezoceramics and Its Piezoelectric Properties, Ferroelectrics 392: 46-54, 2009]，但是由于纯的铌酸钠钾陶瓷在200摄氏度附近存在一个正交-四方相变，这个相变导致材料的介电温度稳定性变差。通过元素掺杂得到温度稳定性良好的高温介电陶瓷[T. Matsuda, W. Sakamoto, B. Lee, T. Iijima, J. Kumagai, M. Moriya and T. Yogo, Electrical Properties of Lead-Free Ferroelectric Mn-Doped K_0.5Na_0.5NbO₃-CaZrO₃ Thin Films Prepared by Chemical Solution Deposition, Jpn. J. Appl. Phys. 51, 09LA03, 2012]，但元素数目太多导致大规模生产时难以控制产品质量。另外，对于多层陶瓷电容器（MLCC）工艺，晶粒越小，器件的尺寸则越小。与其他过渡元素和稀土元素不同，Zr元素的离子半径要比Nb的大，因此锆元素掺入铌酸钠钾中，一方面可以提高三方-四方相变的温度，抑制介电峰的高度，另一方面可以抑制晶粒的生长，并提高介电常数。因此可以采用锆掺杂铌酸钠钾，利用锆抑制晶粒生长的作用并采用两步法烧结来减小晶粒尺寸，提高材料致密度；与此同时，锆进入铌酸钠钾晶格还提高了介电性能，降低了介电温度变化率。

发明内容

本发明的目的是为了减少生产过程对环境造成的压力、提高铌酸钠钾基陶瓷的工艺性、获得晶粒细小、温度稳定性好的致密高温电容器材料，本发明提供了一种两步法烧结锆掺杂的铌酸钠钾陶瓷的组分和工艺。

本发明的高温无铅电容器材料组成式为(K_0.5Na_0.5)Nb_1-xZr_xO₃，其中：0.001≤x≤0.1，x为物质的量。

制备上述高温无铅电容器材料的具体步骤为：

（1）将分析纯级五氧化二铌、碳酸钾、碳酸钠和氧化锆按照化学计量比(K_0.5Na_0.5)Nb_1-xZr_xO₃配料，其中：0.001≤x≤0.1，x为物质的量；

（2）将步骤(1)中配好的料放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇作为球磨介质，氧化锆球的质量是料的质量的5～9倍，然后采用湿磨法进行球磨混合７～９小时；

（3）将步骤(2)混合好的料压柱，预烧，打碎，进行二次球磨，得到球磨后的粉料；

（4）在步骤(3)得到的粉料中加入质量百分比浓度为3～9％的聚乙烯醇溶液进行造粒；然后冷压成型为圆片；

（5）将步骤(4)中成型的圆片放入烘箱中进行烘干，然后将烘干后的素片放入马弗炉中进行排胶，于550°C保温1～3小时，随炉冷却；