具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料，分子表达式为BaCu

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，涉及一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料。本发明还涉及该具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料的制备方法。

背景技术

由于巨介电陶瓷材料在大容量电容器及电子元件等实用型器件微型化、集成化、智能化的需求，特别是其在动态随机存储(DRAM)和高介电电容器(MLCC)方面的潜在应用，使得研究者对巨介电陶瓷的研究越来越重视。长期以来，具有钙钛矿相结构的钛酸钡系的Ba_xSr_1-xTiO₃和钛酸铅系的PbZr_xTi_1-xO₃材料以及类钙钛矿相结构的ACu₃Ti₄O₁₂(A＝Na⁺,Cd²⁺,Ca²⁺,La³⁺,Y³⁺等)，介电常数可达1000以上。国内外对Ba_xSr_1-xTiO₃和PbZr_xTi_1-xO₃以及ACu₃Ti₄O₁₂高介电材料进行了深入的研究。由于铁电体在居里温度处发生铁电相到顺电相的转变以及大的介电常数，使铁电材料的介电常数强烈地受到温度的影响，从而导致器件的稳定性变差。因此，开发出新型宽温度稳定型的高介电材料是迫切需要的。钨铜酸钡(BaCu_1/2W_1/2O₃，简称BWC)是一种性能稳定陶瓷材料掺杂剂，常用来掺杂改性Ba_xSr_1-xTiO₃，PbZr_xTi_1-xO₃，ACu₃Ti₄O₁₂等陶瓷，以实现复合体系的高介电性，从而在高密度信息存储、薄膜器件、高介电电容器以及非线性器件上获得广泛的应用，促使器件小型化，使温度稳定性提高。以往多项研究发现，BWC可以较好地改善Ba_xSr_1-xTiO₃，PbZr_xTi_1-xO₃，ACu₃Ti₄O₁₂等基体陶瓷体系的综合性能，尤其是实现较宽温度范围内的高介电性，而并不劣化BWC/Ba_xSr_1-xTiO₃，BWC/PbZr_xTi_1-xO₃,BWC/ACu₃Ti₄O₁₂等复合体系的其它性能。因此，BWC一直被认为是一种优秀的陶瓷材料高介电化改性剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料，具有温度稳定性良好，介电常数高、介电损耗低的新特点。

本发明所采用的技术方案是，一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料，分子表达式为BaCu_1/2W_1/2O₃，由Ba，C，W，Cu，O等元素组成并具有巨介电性能。

本发明的另一目的是提供该具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料的制备方法。

本发明的技术方案是，一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，配料并制备烘干粉体，

步骤2，预烧，获得前驱粉体，

步骤3，造粒，

步骤4，压片，

步骤5，烧结。

本发明的特点还在于，

步骤1具体为，

步骤1.1，称取原料，按照原材料BaCO₃：WO₃：CuO的摩尔比为1.5～2.5：0.8～1.2：0.8～12，其中BaCO₃、WO₃、CuO，各原料可用分析纯或者化学纯级别；

步骤1.2，研磨，将步骤1.1中称取的粉体混合后，以氧化锆球为磨球、无水乙醇为球磨介质，在球磨机上350～400转/分的速度球磨12～15小时，出料；

步骤1.3，烘干，将步骤1.2中研磨后的混合浆料在80～100℃下干燥并研磨装袋待用。

步骤2具体为，将步骤1中制备好的烘干粉体置于氧化铝坩埚内，加盖留缝，缝间距1～5mm，在930～980℃的温度下预烧3～5小时，然后随炉冷却，获得前驱粉体。

步骤3具体为，

步骤3.1，称量材料，按照前驱粉体和聚乙烯醇水溶液的质量比为1：1～1.5分别称取前驱粉体和聚乙烯醇水溶液，所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为5％-10％；

步骤3.2，将前驱粉体置入氧化铝研钵，向其逐滴加入步骤3.1中称取的聚乙烯醇水溶液；

步骤3.3，将步骤3.2中得到的混合液充分搅拌，研细，过80～200目筛，造粒，后将造粒好的粉体装袋备用。

步骤4具体为，取步骤3中制备得到的造粒的粉体0.8g～1.0g放入直径10±0.1mm的不锈钢模具内，用90～100MPa的压力将其压制成圆柱状生坯。

步骤5具体为，将步骤4中压制成的生坯放入氧化铝平板上，用2～3℃/分钟的升温速率升温至500～550℃，保温3～5小时，再以2～3℃/分钟的升温速率升温至1250～1300℃，烧结15～18小时，然后随炉冷却，即获得具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料。

本发明的有益效果是，采用本发明方法所制备的钨铜酸钡巨介电陶瓷材料是一种新的巨介电陶瓷材料，介电常数高达1.7×10⁴，可与文献报道的同类陶瓷材料相比拟，可用于制备动态随机存储(DRAM)和高介电电容器(MLCC)。本发明具有方法简单、重复性好、成品率高等优点。

附图说明

图1是本发明的具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料的XRD图；

图2是本发明的具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料的介电温谱图；

图3是利用本发明的方法制备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料时，在不同温度烧结的钨铜酸钡巨介电陶瓷材料的介频谱图；

图4是利用本发明方法进行巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料制备时，不同温度烧结的钨铜酸钡巨介电陶瓷材料的介电常数及介电损耗变化关系图图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料，分子表达式为BaCu_1/2W_1/2O₃，由Ba，C，W，Cu，O等元素组成并具有巨介电性能。

一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，配料并制备烘干粉体，具体步骤为：

步骤1.1，称取原料，按照原材料BaCO₃：WO₃：CuO的摩尔比为1.5～2.5：0.8～1.2：0.8～1.2，其中BaCO₃、WO₃、CuO，各原料可用分析纯或者化学纯级别；

步骤1.2，研磨，将步骤1.1中称取的粉体混合后，以氧化锆球为磨球、无水乙醇为球磨介质，在球磨机上350～400转/分的速度球磨12～15小时，出料；

步骤1.3，烘干，将步骤1.2中研磨后的混合浆料在80～100℃下干燥并研磨装袋待用。

步骤2，预烧，获得前驱粉体，将步骤1中制备好的烘干粉体置于氧化铝坩埚内，加盖留缝，缝间距1～5mm，在930～980℃的温度下预烧3～5小时，然后随炉冷却，获得前驱粉体。

步骤3，造粒，

步骤3.1，称量材料，按照前驱粉体和聚乙烯醇水溶液的质量比为1：1～1.5分别称取前驱粉体和聚乙烯醇水溶液，所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为5％-10％；

步骤3.2，将前驱粉体置入氧化铝研钵，向其逐滴加入步骤3.1中称取的聚乙烯醇水溶液；

步骤3.3，将步骤3.2中得到的混合液充分搅拌，研细，过80～200目筛，造粒，后将造粒好的粉体装袋备用。

步骤4，压片，

取步骤3中制备得到的造粒的粉体0.8g～1.0g放入直径10±0.1mm的不锈钢模具内，用90～100MPa的压力将其压制成圆柱状生坯。

步骤5，烧结，

将步骤4中压制成的生坯放入氧化铝平板上，用2～3℃/分钟的升温速率升温至500～550℃，保温3～5小时，再以2～3℃/分钟的升温速率升温至1250～1300℃，烧结15～18小时，然后随炉冷却，即获得具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料。

对利用本发明的方法制备出来的钨铜酸钡巨介电陶瓷材料进行介电性能检测时，首先，需要对其进行烧银，具体来说就是，

将烧结后的钨铜酸钡巨介电陶瓷进行表面打磨，抛光至0.4～0.5mm厚，用100～150Hz的低频超声波清洗20～30分钟并用棉布擦干净，上下表面用陶瓷材料电极印刷专用的丝网印刷上厚度为0.01～0.03mm的银电极浆料，而后在100～150℃的温度下烘干1～2小时，最终获得带电极钨铜酸钡巨介电陶瓷。

然后再对烧银house或的的带电极钨铜酸钡巨介电陶瓷材料进行介电性能测试，具体结果为，

由图1可见，所制备的钨铜酸钡巨介电陶瓷材料为钨铜酸钡的主晶相，证明了以上方法得到了钨铜酸钡陶瓷材料。

由图2可见，当烧结温度为1280～1290℃时，制备的陶瓷材料的在1kHz下其介电常数均可达到104以上，其中烧结温度为1290℃时制备的钨铜酸钡巨介电陶瓷材料具有最佳的介电性能，其在1kHz下介电常数达到17000，远远超过普通介电陶瓷103～104。而且其介电常数在很宽的频率范围内变化很小，这也是其它常规介电陶瓷材料无法比拟的。这是首次新发现的新型巨介电陶瓷材料体系。

由图3可以看出，随频率的递增，介电常数呈现线性下降的趋势。

从图4可以看出，制备的钨铜酸钡陶瓷材料具有最大的介电常数为17515和最低的介电损耗为0.1141，因此可以确定制备出的材料，具备巨介电性能，属于巨介电陶瓷的一种。

实施例1

一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，配料并制备烘干粉体，具体步骤为：

步骤1.1，称取原料，按照原材料BaCO₃：WO₃：CuO的摩尔比为1.5：0.8：0.8，其中BaCO₃、WO₃、CuO，各原料可用分析纯或者化学纯级别；

步骤1.2，研磨，将步骤1.1中称取的粉体混合后，以氧化锆球为磨球、无水乙醇为球磨介质，在球磨机上350转/分的速度球磨12小时，出料；

步骤1.3，烘干，将步骤1.2中研磨后的混合浆料在80℃下干燥并研磨装袋待用。

步骤2，预烧，获得前驱粉体，将步骤1中制备好的烘干粉体置于氧化铝坩埚内，加盖留缝，缝间距1mm，在930℃的温度下预烧3小时，然后随炉冷却，获得前驱粉体。

步骤3，造粒，

步骤3.1，称量材料，按照前驱粉体和聚乙烯醇水溶液的质量比为1：1分别称取前驱粉体和聚乙烯醇水溶液，所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为5％；

步骤3.2，将前驱粉体置入氧化铝研钵，向其逐滴加入步骤3.1中称取的聚乙烯醇水溶液；

步骤3.3，将步骤3.2中得到的混合液充分搅拌，研细，过80目筛，造粒，后将造粒好的粉体装袋备用。

步骤4，压片，

取步骤3中制备得到的造粒的粉体0.8g放入直径9.9mm的不锈钢模具内，用90MPa的压力将其压制成圆柱状生坯。

步骤5，烧结，

将步骤4中压制成的生坯放入氧化铝平板上，用2℃/分钟的升温速率升温至500℃，保温3小时，再以2℃/分钟的升温速率升温至1250℃，烧结15小时，然后随炉冷却，即获得具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料。

实施例2

一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，配料并制备烘干粉体，具体步骤为：

步骤1.1，称取原料，按照原材料BaCO₃：WO₃：CuO的摩尔比为2.5：1.2：12，其中BaCO₃、WO₃、CuO，各原料可用分析纯或者化学纯级别；

步骤1.2，研磨，将步骤1.1中称取的粉体混合后，以氧化锆球为磨球、无水乙醇为球磨介质，在球磨机上400转/分的速度球磨15小时，出料；

步骤1.3，烘干，将步骤1.2中研磨后的混合浆料在100℃下干燥并研磨装袋待用。

步骤2，预烧，获得前驱粉体，将步骤1中制备好的烘干粉体置于氧化铝坩埚内，加盖留缝，缝间距5mm，在980℃的温度下预烧5小时，然后随炉冷却，获得前驱粉体。

步骤3，造粒，

步骤3.1，称量材料，按照前驱粉体和聚乙烯醇水溶液的质量比为1：1.5分别称取前驱粉体和聚乙烯醇水溶液，所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为10％；

步骤3.2，将前驱粉体置入氧化铝研钵，向其逐滴加入步骤3.1中称取的聚乙烯醇水溶液；

步骤3.3，将步骤3.2中得到的混合液充分搅拌，研细，过200目筛，造粒，后将造粒好的粉体装袋备用。

步骤4，压片，

取步骤3中制备得到的造粒的粉体1.0g放入直径10.1mm的不锈钢模具内，用100MPa的压力将其压制成圆柱状生坯。

步骤5，烧结，

将步骤4中压制成的生坯放入氧化铝平板上，用3℃/分钟的升温速率升温至550℃，保温5小时，再以3℃/分钟的升温速率升温至1300℃，烧结18小时，然后随炉冷却，即获得具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料。

实施例3

一种具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，配料并制备烘干粉体，具体步骤为：

步骤1.1，称取原料，按照原材料BaCO₃：WO₃：CuO的摩尔比为2.0：1.0：8，其中BaCO₃、WO₃、CuO，各原料可用分析纯或者化学纯级别；

步骤1.2，研磨，将步骤1.1中称取的粉体混合后，以氧化锆球为磨球、无水乙醇为球磨介质，在球磨机上380转/分的速度球磨13.5小时，出料；

步骤1.3，烘干，将步骤1.2中研磨后的混合浆料在90℃下干燥并研磨装袋待用。

步骤2，预烧，获得前驱粉体，将步骤1中制备好的烘干粉体置于氧化铝坩埚内，加盖留缝，缝间距3mm，在950℃的温度下预烧4小时，然后随炉冷却，获得前驱粉体。

步骤3，造粒，

步骤3.1，称量材料，按照前驱粉体和聚乙烯醇水溶液的质量比为1：1.2分别称取前驱粉体和聚乙烯醇水溶液，所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为8％；

步骤3.2，将前驱粉体置入氧化铝研钵，向其逐滴加入步骤3.1中称取的聚乙烯醇水溶液；

步骤3.3，将步骤3.2中得到的混合液充分搅拌，研细，过120目筛，造粒，后将造粒好的粉体装袋备用。

步骤4，压片，

取步骤3中制备得到的造粒的粉体0.9放入直径10mm的不锈钢模具内，用95MPa的压力将其压制成圆柱状生坯。

步骤5，烧结，

将步骤4中压制成的生坯放入氧化铝平板上，用2.5℃/分钟的升温速率升温至520℃，保温4小时，再以2.5℃/分钟的升温速率升温至1265℃，烧结16小时，然后随炉冷却，即获得具备巨介电性能的钨铜酸钡陶瓷材料。