Низкотемпературный керамический материал для термостабильных конденсаторов

 

Использование: в радиоэлектронной технике, в производстве низковольтных и высоковольтных керамических конденсаторов стабильных групп. Сущность изобретения: улучшение стабильности свойств при тепловом и электрическом воздействии достигается тем, что низкотемпературный керамический материал для термостабильных конденсаторов содержит титанат бария в количестве, мас.%: 89,75 - 95,52; пентоксид ниобия 0,77 - 1,38; оксид кобальта 0,15 - 0,32; оксид неодима 0,05 - 0,46; углекислый марганец 0,01 - 0,09; стеклофритту 3,50 - 8,00. Изобретение позволяет получить материал с диэлектрической проницаемостью 2200 - 2400, величиной относительного изменения диэлектрической проницаемости в интервале температур от -55 до +125°С, величиной относительного изменения диэлектрической проницаемости при воздействии электрического поля напряженностью E 2 кВ/мм в интервале температур от -55 до +125°С. 1 табл.

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано в производстве низковольтных и высоковольтных керамических конденсаторов стабильных групп.

Известны сегнетокерамические материалы на основе титаната бария и его твердых растворов, отличающиеся достаточно высокой диэлектрической проницаемостью и ее малой зависимостью от температуры и постоянного электрического поля в широком интервале рабочих температур: (-60 ±125)^оС. К таким материалам можно отнести керамику Т-1000, Т-2000 с диэлектрической проницаемостью ε ≈ 1500-2000 при температурной стабильности Δε/ε₂₀o_C=± 10%±20% в рабочем интервале температур, составы ВС-2 и Т-3000 с ε≈2300-3000 и не более ± 15% [1,2,3] Температура спекания указанных материалов ≈ (1300±60)^оС.

Однако в последнее время все большее значение приобретает проблема экономии драгметаллов и электроэнергии и повышение надежности изделий при их эксплуатации. В связи с этим возникает задача использования более дешевых электродов для конденсаторов (например Ag/Pd, где содержание серебра составляет до 70%) и соответственно керамики в качестве диэлектрика, температура спекания которой не более 1150^оС.

Наиболее близким по составу является керамический материал на основе титаната бария с добавками пентоксида ниобия, оксида кобальта, углекислого марганца и стеклофритты, температура спекания которого составляет ≈1150^оС [4] Диэлектрическая проницаемость известного материала ε≈ 2400, относительное изменение диэлектрической проницаемости в интервале температур (-55 +125)°C Δε/ε₂₀°_C= ± 15% а относительное изменение диэлектрической проницаемости при воздействии постоянного электрического поля Δε/ порядка 24% Недостатком известного материала является значительное изменение диэлектрической проницаемости в интервале рабочих температур и при воздействии постоянного электрического поля, что обуславливает недостаточную надежность конденсатора при эксплуатации.

Цель изобретения улучшение стабильности свойств низкотемпературной керамики, спекающейся при температуре ≈ 1130 ±20^оС, при тепловом и электрическом воздействии и повышению тем самым эксплуатационной надежности.

Осуществление изобретения позволит получить низкотемпературный сегнетокерамический материал для термостабильных конденсаторов с величиной относительного изменения диэлектрической проницаемости в интервале рабочих температур (-55 +125)°C Δε/ε₂₀°_C< 15% и величиной относительного изменения диэлектрической проницаемости при воздействии постоянного электрического поля напряженностью 2 кВ/мм в интервале температур (-55 +125)°C Δε/< (20± 2)% Для достижения цели низкотемпературный материал для термостабильных конденсаторов, содержащий титанат бария, пентоксид ниобия, оксид кобальта, углекислый марганец и стеклофритту, дополнительно содержит добавку оксида неодима при следующем соотношении компонентов, мас.

Титанат бария BaTiO₃ 89,75 95,52 Пентоксид ниобия Nb₂O₅ 0,77 1,38 Оксид кобальта Со₃О₄ 0,15 0,32 Оксид неодима Nd₂O₃ 0,05 0,46 Углекислый марганец MnOO₃ 0,01 0,09 Стеклофритта 3,50 8,00 При этом состав стеклофритты идентичен составу стеклофритты в материале-прототипе и содержит набор следующих оксидов, мас. Bi₂O₃ 17-24 PbO 26-33 TiO₂ 15-21 ZnO 21-28 B₂O₃ 4-10 Отличительными от прототипа признаками является введение в состав материала добавки оксида неодима в количестве 0,05-0,46 мас. и изменение содержания всех ингредиентов, входящих в состав материала.

На сегодняшний день нам неизвестно такое же техническое решение, что позволяет считать предлагаемый низкотемпературный керамический материал, отвечающим критерию "новизна".

Вводимая добавка оксида неодима образует твердый раствор с основой (ВаTiO₃--Nb₂O₅) и способствует размытию фазового перехода основного твердого раствора с одновременным обеспечением равномерности кристаллической структуры состава, что в совокупности приводит к стабилизации таких свойств керамики, как диэлектрическая проницаемость ε относительное изменение диэлектрической проницаемости в интервале рабочих температур Δε/ε₂₀o_C, относительное изменение диэлектрической проницаемости при воздействии постоянного электрического поля Δε/ и в конечном счете обеспечивает повышение надежности изделий, изготовленных на ее основе.

Таким образом, заявляемый состав низкотемпературного материала для термостабильных конденсаторов как совокупность существенных признаков составляет неразрывную причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом улучшением стабильности свойств керамики при тепловом и электрическом воздействии и, следовательно, отвечает критерию "изобретательский уровень".

Заявляемый керамический материал приготавливают по следующей керамической технологии. Сначала подготавливают флюс методом сплавления оксидов, входящих в состав стеклофритты, затем резкого охлаждения полученной массы и последующего ее измельчения до S₁₈ >2м²/г. Затем в заданном соотношении состав керамики и фритты загружают в вибромельницу с резиновой футеровкой и стальными шарами и производят смешение и помол исходных порошков. Удельная поверхность стеклокерамической смеси должна быть не менее 2,5 м²/г. Если добиться указанной удельной поверхности помолом в вибромельнице не удается, то дополнительно проводят помол в мельнице KSК.

Затем в полученную массу вводят связку (2%-ный раствор метилцеллюлозы в количестве 8% ) и методом прессования изготавливают образцы в виде дисков. Образцы обжигают в интервале температур 1100-1150^оС, затем наносят электроды методом вжигания серебросодержащей пасты при T≈ 800^оС и измеряют электрические характеристики.

Реальность и обоснованность заявляемого соотношения ингредиентов подтверждается данными таблицы.

В таблице приведены следующие электрические характеристики: диэлектрическая проницаемость, ε температура спекания, Т_спек., ^оС; относительное изменение диэлектрической проницаемости в интервале температур (-55 +125)°C, Δε/ε₂₀°_C, относительное изменение диэлектрической проницаемости при воздействии постоянного электрического поля напряженностью Е 2 кВ/мм в интервале температур (-55 +125)°C, Δε/,
Из таблицы следует, что материал предлагаемого состава обладает улучшенной стабильностью при повышенном напряжении, при этом обеспечивается достаточно высокая величина ε≈ 2200-2400, а температура спекания не превышает 1150^оС.

Таким образом, технический результат достигается при соблюдении заявляемого соотношения между компонентами и не достигается при его нарушении. Так, уменьшение содержания оксида неодима до 0,04% приводит к ухудшению стабильности керамики при повышенном напряжении, увеличение концентрации до 0,55% и более снижает диэлектрическую проницаемость.

Формула изобретения

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ, содержащий титанат бария, пентоксид ниобия, оксид кобальта, углекислый марганец и стеклофритту, отличающийся тем, что материал дополнительно содержит добавку оксида неодима при следующем соотношении компонентов, мас.

Титанат бария 89,75 95,52
Пентоксид ниобия 0,77 1,38
Оксид кобальта 0,15 0,32
Оксид неодима 0,05 0,46
Углекислый марганец 0,01 0,09
Стеклофритта Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2