ШИХТА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ Российский патент 1997 года по МПК C04B35/499 

Изобретение относится к области керамического производства, в частности к составам шихт сегнетоэлектрических керамических материалов, и может быть использовано в керамическом конденсаторостроении при изготовлении низкочастотных конденсаторов.

Известен сегнетоэлектрический керамический материал для конденсаторов на основе ниобата магния, ниобата железа, титаната свинца и добавок (см. заявку Великобритании N 2126575).

Данный материал характеризуется сравнительно высокой диэлектрической проницаемостью (ε ≈ 14000) и обеспечивает применение для внутренних электродов многослойных конденсаторов более дешевых благородных металлов, например на основе сплавов Pd с Ag. В то же время недостатком этого материала является то, что он отличается достаточно высокой трудоемкостью процесса получения, а также не обеспечивает дальнейшего повышения диэлектрической проницаемости.

Наиболее близкой по технической сути к изобретению является шихта сегнетоэлектрического керамического материала, включающая Pb•(Mg_1/3Nb_2/3)•O₃, Pb•(Fe_1/2Nb_1/2)•O₃, PbTiO₃ и марганецсодержащую добавку MnCO₃•Mn(OH)₂•H₂O (см. а.с. СССР N 1364611).

Сегнетоэлектрический керамический материал на основе данной шихты предназначен для изготовления низкочастотных конденсаторов и характеризуется более высокой диэлектрической проницаемостью (e 16600 18000) и более широким интервалом рабочих температур (-60^o +125^oC), что обеспечивает высокие свойства конденсаторов на его основе.

Существенным недостатком материала на основе этой шихты является то, что он отличается достаточно высокой трудоемкостью процесса его получения, что связано с необходимостью обжига (спекания) заготовок материала в закрытом объеме с целью предотвращения испарения оксида свинца, а также отличается достаточно высокой температурой (1220 1250^oC) спекания заготовок из него, что ограничивает применение в качестве внутренних электродов многослойных конденсаторов более дешевых и с более низкой температурой плавления благородных металлов, например сплав с высоким содержанием Ag, а это в свою очередь не обеспечивает дальнейшего снижения себестоимости конденсаторов и получение более высокого технического результата.

Предлагаемая шихта сегнетоэлектрического керамического материала позволяет устранить недостатки известных материалов аналогичного назначения и обеспечивает достижение более высокого технического результата, заключающегося в снижении трудоемкости процесса изготовления, температуры обжига (спекания) заготовок материала и себестоимости конденсаторов из него при одновременном сохранении высокой диэлектрической проницаемости и других электрических свойств материала и конденсаторов из него.

Сущность изобретения заключается в том, что в заявляемой шихте сегнетоэлектрического керамического материала для низкочастотных конденсаторов, включающей титанат свинца и марганецсодержащую добавку, вышеуказанный технический результат обеспечивается тем, что шихта дополнительно содержит ниобат магния, оксид свинца и порошок цирконатов или станнатов из CaZrO₃, CaSnO₃ и BaSnO₃, а в качестве марганецсодержащей добавки содержит углекислый марганец при следующем соотношении компонентов, мас.

PbO 66 70
MnNb₂O₆ 21,45 29,71
PbTiO₃ 4 8
MnCO₃ 0,01 0,05
Порошок цирконатов или станнатов из ряда CaZrO₃, CaSnO₃ и BaSnO₃ 0,28 0,5
В данном случае снижение трудоемкости процесса изготовления, температуры обжига заготовок материала и себестоимости конденсаторов достигается в результате того, что введение в состав шихты порошка цирконатов или станнатов из ряда CaZrO₃, и CaSnO₃ и BaSnO₃ и углекислого марганца в сочетании с другими ее компонентами позволяет устранить необходимость обжига заготовок в закрытом объеме, т. к. при этом с учетом введения ниобата магния снижается температура обжига заготовок до 930 960^oC и практически устраняется испарение оксида свинца. Кроме того, снижение температуры обжига (спекания) позволяет применить в качестве внутренних электродов многослойных конденсаторов более дешевые сплавы благородных металлов, например палладия с 70-85% серебра, что существенно снижает себестоимость конденсаторов. При этом вводимый в состав шихты углекислый марганец (MnCO₃) способствует улучшению электропараметров (t_дб и R_из) материала и изделий из него. Цирконат кальция (CaZrO₃) или станнат кальция (CaSnO₃ и станнат бария (BaSnO₃) обеспечивает возможность регулировки температуры Кюри, а оксид (PbO) и титанат свинца (PbTiO₃) в сочетании с другими компонентами шихты обеспечивают снижение температуры обжига образцов материала.

Сопоставительный анализ заявляемой шихты с прототипом показывает, что материал на ее основе отличается от материала на основе известной шихты введением в состав ниобата магния, оксида свинца, порошка цирконатов или станнатов из ряда CaZrO₃, CaSnO₃ и BaSnO₃ и применением в качестве марганецсодержащей добавки углекислого марганца. Таким образом, предлагаемая шихта является новой, т.к. ее компонентный состав и соотношение компонентов в ней не известны из существующего уровня техники.

Анализ других технических решений в данной области техники, например по а. с. СССР N 1551696 и патенту США N 4287075, позволяет сделать вывод, что предлагаемая шихта имеет изобретательский уровень, т.к. особенности ее состава и ее существенные отличия явным образом не следуют из известного уровня. Кроме того, шихта является промышленно применимой, что вытекает из результатов экспериментальной проверки, достигаемого технического результата и практических задач в области керамического конденсаторостроения.

Возможность осуществления изобретения подтверждается нижеприведенными сведениями, относящимися к оптимальным составам шихты, примерам компонентного и технологического выполнения материала на ее основе и к результатам экспериментальной проверки.

Сегнетоэлектрический керамический материал для низкочастотных конденсаторов на основе предлагаемой шихты получают следующим образом.

Предварительно приготавливают спек ниобата магния (MgNb₂O₆) путем синтеза оксидов магния и ниобия при 1150^oC с последующим его измельчением. Затем приготовленный спек, взятый в требуемом соотношении, смешивают с заданным количеством остальных компонентов PbO, PbTiO₃, порошком цирконата или станната из ряда CaZrO₃, CaSnO₃ и BaSnO₃ и MnCO₃ и получают шихту сегнетоэлектрического керамического материала. Полученную шихту синтезируют при 750 800^oC и измельчают до удельной поверхности не менее 5000 см²/г, получая, таким образом, сегнетоэлектрический керамический материал. В процессе синтеза шихты MgNb₂O₆ соединяется с PbO и образует тройной оксид Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃, который является основой сегнетоэлектрического материала, модифицированного спеками PbTiO₃, CaZrO₃ (или CaSnO₃ и BaSnO₃) и добавкой MnCO₃. Из полученного после синтеза шихты материала известным образом, например по пленочной технологии, получают керамические пленки и затем заготовки многослойных монолитных конденсаторов, которые спекают с одновременным вжиганием внутренних электродов при 930 980^oC с последующим выполнением технологических операций получения низкочастотных конденсаторов.

Конкретными примерами заявляемой шихты, иллюстрирующей изобретение, являются следующие ее оптимальные составы в мас. приведенные в табл.1.

Свойства сегнетоэлектрического керамического материала на основе предлагаемой шихты и низкочастотных конденсаторов из него подтверждаются результатами испытаний, данные о которых приведены в табл.2.

Как следует из табл.2, сегнетоэлектрический керамический материал на основе предлагаемой шихты при практически одинаковом уровне диэлектрических и электрических параметров в сравнении с прототипом по а.с. СССР N 1364611 имеет температуру спекания (обжига) на 270 300^oC ниже, что позволяет применять для внутренних электродов более дешевые драгметаллы, например сплав Ag-Pb в соотношении 85:15% и существенно снизить себестоимость изделий. Кроме того, материал в сравнении с прототипом не требует предотвращения испарения оксида свинца, более прост по составу, характеризуется меньшим количеством термообработок, что свидетельствует о меньшей трудоемкости процесса его получения.

Оптимальность состава и возможность воспроизводства предлагаемой шихты подтверждается тем, что при введении в состав шихты PbO, MnCO₃, CaZrO₃ (или CaSnO₃ и BaSnO₃) менее минимального количества и MgNb₂O₆ более максимального количества (выход за состав 1) повышается температура спекания заготовок материала выше оптимальной и возникает необходимость предотвращения испарения оксида свинца. При введении этих компонентов в количествах, выходящих за состав 3, существенного снижения температуры спекания материала не достигается, т.к. снижается содержание основного компонента и снижается величина диэлектрической проницаемости ниже допустимого предела.

Экспериментально установлено, что наибольший технический результат достигается при заявленном соотношении компонентов шихты.

Практическое применение шихты для изготовления низкочастотных конденсаторов обеспечивает снижение трудоемкости получения материала, снижение температуры его спекания и себестоимости конденсаторов на его основе.

В настоящее время разработана рецептура и техпроцесс получения материала на основе заявляемой шихты, а также изготовлены экспериментальные партии материала и изделий из него и проведены их испытания, результаты которых подтверждают получение технического результата.

Использование: изготовление сегнетоэлектрического керамического материала и низкочастотных конденсаторов из него. Сущность изобретения: шихта содержит MgNb₂O₆, PbTiO₃, PbO, MnCO₃ и CaZrO₃ (или CaSnO₃ и BaSnO₃). Технический результат: снижение трудоемкости процесса изготовления, температуры обжига материала и себестоимости конденсаторов при одновременном сохранении высоких значений диэлектрических и электрических свойств материала и изделий. 2 табл.

Шихта сегнетоэлектрического керамического материала для низкочастотных конденсаторов, включающая титанат свинца, ниобат магния и углекислый марганец, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оксид свинца и цирконат или станнат из ряда: CaZrO₃, CaSnO₃, BaSnO₃ при следующем соотношении компонентов, мас.

PbTiO₃ 4 8
MgNb₂O₆ 21,24 29,71
MnCo₃ 0,01 0,05
PbO 66 70
Цирконат или станнат из ряда CaZrO₃, CaSnO₃, BaSnO₃ - 0,28 0,5V