钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料及其制备方法和应用与流程

本公开涉及电工材料，尤其涉及一种钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、由于电子工业的快速蓬勃发展，电子元件的微型化成为了电子产业突破升级的关键因素，在加工工艺达到极限的前提下，器件微型化由提升电子器件材料的静态介电常数所决定。常用的巨介电常数材料分为三种：铁电材料、金属氧化物和氮化物。一般情况下，铁电材料的介电常数明显比后两种高。但是铁电材料的介电常数的温度稳定性较差，不能够保持电子元件介电常数的热稳定性，例如batio3陶瓷在其居里温度附近会发生相变，使得介电常数产生大幅度变化；并且相当大一部分的铁电材料均含有铅元素，在试样合成和实际应用中会对环境产生破坏，影响人类健康。因此，同时具有高介电常数、高稳定性和无铅的介电材料对电子产业的升级有关键作用。

2、钛酸铜钙陶瓷是自2000年以来发现的一种类钙钛矿结构的无铅陶瓷材料，其最显著的特点就是非常高的介电常数，常温下可达104以上(subramanian ma,li d,duan n,reisner ba,sleight aw,high dielectric constant in acu3ti4o12 and acu3ti3feo12phases,journal of solid state chemistry,2000,151(2):323-325)。同时钛酸铜钙介电常数的温度依赖性很小，在100～600k的温度范围内介电常数几乎不产生变化，并且没有发生任何结构转变(subramanian ma,sleight aw.acu3ti4o12 and acu3ru4o12 perovskites:high dielectric constants and valence degeneracy,solid state sciences,2002,4(3):347-351.)。除了巨介电特性之外，钛酸铜钙还具有一定的压敏特性(chung s,kim i,kang sl,strong nonlinear current-voltage behaviour in perovskite-derivativecalcium copper titanate,nature materials,2004,3(11):774-778.)。钛酸铜钙的这些性质不仅能够符合高介电常数、绿色、性能稳定的发展需求，也可以在其他不同的高精尖领域得到广泛的使用价值，为电容器和非线性器件等重要电子器件向微型化、智能化的发展提供了广阔的前景。

3、然而，钛酸铜钙陶瓷还存在着击穿场强较低、介电损耗较大等问题，限制了其应用前景。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题中的至少之一，本公开提供了一种钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料及其制备方法和应用，通过改变晶界环境，使得制备的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料具有优异的介电和压敏性能。

2、作为一个方面，本公开提供了一种钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料的制备方法，包括：将含有预烧结的钛酸铜钙粉体、预烧结的钛酸铜锶粉体的混合粉体，经过造粒、制坯、排胶、烧结，制备钛酸铜钙/钛酸铜锶的复相陶瓷材料。

3、在本公开的一些实施例中，混合粉体中，预烧结的钛酸铜钙粉体、预烧结的钛酸铜锶粉体的摩尔比为2:8～8:2；和/或，烧结的温度为1000～1100℃，时间为4～6h。

4、在本公开的一些实施例中，烧结的程序设置包括：升温速率在0～600℃时为200℃/h，在600～800℃时为100～150℃/h，在800～1000℃时为60～100℃/h，在1000℃以上时不大于60℃/h；降温速率在保温温度～600℃时为200℃/h，600℃以下时为自然冷却。

5、在本公开的一些实施例中，将含钛化合物、含铜化合物、含钙化合物组成的混合物进行煅烧，制备钛酸铜钙粉体；和/或，将含钛化合物、含铜化合物、含锶化合物组成的混合物进行煅烧，制备钛酸铜锶粉体。

6、在本公开的一些实施例中，含钛化合物为二氧化钛，含铜化合物为氧化铜，含钙化合物为碳酸钙，含锶化合物为碳酸锶；和/或，煅烧的温度为900～950℃，保温时间为10～12h。

7、在本公开的一些实施例中，制备钛酸铜钙粉体的混合物中，碳酸钙、二氧化钛、氧化铜的摩尔比为1:4:3；和/或，制备钛酸铜锶粉体的混合物中，碳酸锶、二氧化钛、氧化铜的摩尔比为1:4:3。

8、在本公开的一些实施例中，混合粉体经过造粒后的颗粒直径为0.154～0.280μm。

9、作为另一个方面，本公开提供了一种利用上述的制备方法制备得到的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料。

10、在本公开的一些实施例中，其中，钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料的晶粒平均尺寸为2.6～2.8μm。

11、作为再一个方面，本公开提供了一种上述的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料的制备方法得到的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料或上述的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料在电容器中的应用。

12、本公开实施例提供的技术方案具有如下优点：

13、本公开实施例提供的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料的制备方法，通过固相法分别制备预烧结的钛酸铜钙陶瓷和预烧结的钛酸铜锶陶瓷粉末，再混合制备成钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料，制备条件需求简单、可操作性和可重复性强，所制备的材料性能重复性好。

14、本公开实施例的制备方法得到的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料的击穿场强和非线性系数显著提升，介电损耗下降，且低频率范围的介电损耗显著下降。此外，本公开实施例的制备方法所得到的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料中受到两个过程的影响，一个过程是受到强烈挤压的sr2+的拉扯效应导致了氧空位产生增加；另一个过程为钛酸铜锶和钛酸铜钙的固溶作用能够抑制氧空位的产生，较弱的sr2+拉扯效应和较强的ccto-scto固溶效应使得施主浓度最低，具有大于1ev的势垒高度，使得该钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料具有良好的介电及压敏双功能特性，既可用于高频高电压陡脉冲抑制器件、过电压抑制器件，也可高密度储能电子器件、高介电多层陶瓷电容器等领域，具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的程序设置包括：

4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求1～6任一项所述的制备方法，其特征在于，

8.一种利用权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，

10.一种权利要求1～7任一项所述的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料的制备方法得到的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料或权利要求8或9所述的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料在电容器中的应用。

技术总结本公开涉及一种钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料及其制备方法和应用，将含有预烧结的钛酸铜钙粉体与预烧结的钛酸铜锶粉体的混合粉体制成的生坯进行排胶、烧结，制备钛酸铜钙/钛酸铜锶的复相陶瓷材料；所制备的钛酸铜钙/钛酸铜锶复相陶瓷材料具有优良的介电和压敏的双功能特性，能够广泛用于过电压抑制器件、高介电多层陶瓷电容器，也可用于储能电容器领域。技术研发人员：唐壮,潘碧宸,吕阳,吴传平,陈宝辉,李波,罗晶受保护的技术使用者：国网湖南省电力有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18