本發(fā)明涉及電子材料與器件,具體涉及一種高穩(wěn)定抗還原的x7r電介質(zhì)鈦酸鋇基納米陶瓷及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的快速發(fā)展，市場上對多層陶瓷電容器(mlccs)的要求也越來越高，既要小型化也要可靠性高。鈦酸鋇(batio3)基介電材料面臨著新的挑戰(zhàn)與要求，除了保持以往所重視的高溫穩(wěn)定性外，高性能的鈦酸鋇陶瓷介電材料還必須具備以下特性：晶粒尺寸小、抗還原能力強、直流偏壓穩(wěn)定性優(yōu)異。

2、陶瓷是由晶粒和晶界所構(gòu)成的，為了滿足現(xiàn)在鈦酸鋇陶瓷的小型化的要求，需要足夠小的粒徑mlcc才能擁有更多的層數(shù)，以日本著名mlcc廠商村田為例，介質(zhì)層厚度從2003年的約10μm發(fā)展到如今的0.3μm，層數(shù)從不到100層增加到1000層以上。但普通鈦酸鋇介質(zhì)陶瓷一般燒結(jié)溫度在1200℃以上，在1200℃的燒結(jié)溫度下，即使使用納米級的純batio3粉體作為原料，鈦酸鋇陶瓷的晶粒仍會生長到幾百納米甚至幾微米的大小，而且在居里溫度附近出現(xiàn)的顯著相變峰，對其溫度穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)，這在一定程度上阻礙了其在mlcc領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。其次，介質(zhì)的抗還原性對于降低生產(chǎn)成本至關(guān)重要，因為采用cu、ni等賤金屬作為mlcc的內(nèi)電極可以顯著降低生產(chǎn)成本。然而，鈦酸鋇的本征氧容易受到還原性氣氛的攻擊而丟失，形成氧空位，并產(chǎn)生大量的氧空位和電子。由于電子具有良好的傳輸性，大量電子的存在會導(dǎo)致介質(zhì)瓷料的導(dǎo)電性增加，電阻率下降，從而使鈦酸鋇陶瓷介電材料半導(dǎo)化。隨著介質(zhì)層的變薄和層數(shù)的增多，每層介質(zhì)中的直流電場強度也會增加，因此偏壓穩(wěn)定性不佳。

3、因此，開發(fā)出一種瓷粉，在燒結(jié)過程中不隨著溫度升高而長大，使得制備的陶瓷介質(zhì)具備小晶粒尺寸、良好抗還原能力、優(yōu)異直流偏壓穩(wěn)定性以及高溫度穩(wěn)定性的鈦酸鋇介電材料迫在眉睫。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種高穩(wěn)定抗還原的x7r鈦酸鋇基納米陶瓷，陶瓷晶粒為納米粒徑，而且擁有高介電常數(shù)(≧1500)，低損耗(≦1％)、高電阻率(大于10^11ω.cm)，以及優(yōu)異的直流偏壓穩(wěn)定性(偏壓穩(wěn)定性≦5％)，且溫度穩(wěn)定性符合x7r的規(guī)范標準，電學(xué)性能優(yōu)異。

2、本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術(shù)方案為：

3、一種高穩(wěn)定抗還原的x7r電介質(zhì)鈦酸鋇基納米陶瓷，其由yb2o3包覆鈦酸鋇的核殼結(jié)構(gòu)瓷粉燒結(jié)所得；所述核殼結(jié)構(gòu)瓷粉以batio3晶粒為內(nèi)核，yb2o3為殼層，yb2o3殼層包覆在batio3晶粒的表面形成核殼結(jié)構(gòu)；其中，batio3晶粒的平均粒徑在在80～120nm之間，yb2o3殼層的厚度不超過5nm。

4、上述高穩(wěn)定抗還原的x7r電介質(zhì)鈦酸鋇基納米陶瓷，其內(nèi)核batio3晶粒與yb2o3殼層的摩爾比為1：(2％～4％)，所以化學(xué)組成表達式可以寫為bt-x％molyb2o3，其中bt代表batio3，x為2～4，代表理論yb2o3物質(zhì)的量占batio3物質(zhì)的量的百分含量。

5、按上述方案，所述batio3晶粒的粒徑分布在50～200nm范圍內(nèi)的占比不低于80％，優(yōu)選粒徑分布在60～150nm的晶粒百分比不低于80％；yb2o3殼層的厚度優(yōu)選1～4nm，更優(yōu)選2～3nm。

6、上述高穩(wěn)定抗還原的x7r鈦酸鋇基納米陶瓷的制備方法，主要步驟如下：

7、(1)將晶粒尺寸為50～200nm的鈦酸鋇粉體作為基礎(chǔ)原料，以硅烷偶聯(lián)劑作為分散劑，異丙醇作為溶劑，混合后，經(jīng)攪拌和/或超聲，充分分散均勻后，得到單分散的鈦酸鋇懸濁液a；

8、(2)稱取yb(no3)3溶解在適量的去離子水中，劇烈攪拌，得到y(tǒng)b(no3)3溶液；

9、(3)將步驟(1)所述鈦酸鋇懸濁液a和步驟(2)所得yb(no3)3溶液按照batio3與yb3+的摩爾比為1：(4％～8％)混合，加熱攪拌，得到混合溶液；

10、(4)采用堿調(diào)節(jié)步驟(3)所得混合溶液的ph穩(wěn)定在9～11，使混合溶液中的yb3+離子與oh-反應(yīng)生成沉淀yb(oh)3包覆在鈦酸鋇表面上，得到懸濁液b；

11、(5)步驟(4)所得懸濁液b經(jīng)過陳化后干燥，再煅燒后，得到y(tǒng)b2o3包覆鈦酸鋇的核殼結(jié)構(gòu)瓷粉；

12、(6)將步驟(5)所得瓷粉與粘結(jié)劑混合球磨，造粒過篩，干壓成型得到陶瓷生坯；陶瓷生坯在空氣中500～700℃保溫1.5～3小時排出粘結(jié)劑，然后在還原氣氛下1180～1300℃燒結(jié)1～3小時，得到本發(fā)明所述高穩(wěn)定抗還原的x7r鈦酸鋇基納米陶瓷。

13、按上述方案，步驟(1)中，分散劑的加入量是鈦酸鋇質(zhì)量的0.5％～5％，異丙醇的加入量是鈦酸鋇質(zhì)量的15～25倍；攪拌轉(zhuǎn)速為800～1500r/min，攪拌時間為20～40min；超聲頻率為30～80khz，超聲時間為30～50min。

14、按上述方案，步驟(2)中，yb(no3)3溶液的濃度在0.01～0.04g/ml。

15、按上述方案，步驟(3)中，采用水浴加熱，加熱溫度為30～60℃，攪拌轉(zhuǎn)速為800～1500r/min，加熱時間為20～40min。

16、按上述方案，步驟(4)中，優(yōu)選采用氨水調(diào)節(jié)ph值，且緩慢逐滴加入。

17、按上述方案，步驟(5)中，陳化時間為8～16小時，干燥溫度為90～120℃；煅燒是在馬弗爐中以0.5～2℃/min的升溫速率升溫至500～800℃保溫1～3h。

18、按上述方案，步驟(6)中，所述的粘結(jié)劑優(yōu)選聚乙烯醇水溶液，濃度為2～6wt％，其加入量為瓷粉質(zhì)量的2～12％；所述的過篩優(yōu)選為80～120目篩；所述的干壓成型優(yōu)選采用150～200mpa的壓力。

19、按上述方案，步驟(6)中，排膠是以0.5～2℃/min的升溫速率升溫至500～700℃保溫1～3h，以便排出聚乙烯醇。

20、按上述方案，步驟(6)中，所述的燒結(jié)是以3～10℃/min的升溫速率升溫至900～1100℃，隨后以1.5～2.5℃/min的升溫速率升溫至1220℃～1320℃保溫1.5～2.5小時，然后隨爐自然冷卻。

21、按上述方案，步驟(6)中，還原性氣氛由氫氣和惰性氣體組成，或者由氫氣和氮氣組成，其中氫氣體積分數(shù)占總體積的0.4～0.6％。

22、上述方案制備的高穩(wěn)定抗還原的x7r鈦酸鋇基納米陶瓷，其電阻率在1011～1012ω·cm范圍內(nèi)，介電常數(shù)大于1500，介電損耗低于1％，在-55～125℃溫度穩(wěn)定性tcc≦15％滿足x7r規(guī)范標準，在0～2v/μm直流偏壓電場下偏壓變化率小于5％。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

24、1.優(yōu)異的電學(xué)性能：yb2o3包覆鈦酸鋇的核殼結(jié)構(gòu)瓷粉在燒結(jié)成陶瓷后，依然保持了小晶粒尺寸(約100nm)，同時具備高介電常數(shù)(≧1500)、低損耗(≦1％)、高電阻率(大于10^11ω·cm)、溫度穩(wěn)定性符合x7r規(guī)范標準以及優(yōu)異的直流偏壓穩(wěn)定性(≦5％)，這些性能確保了mlcc在不同環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

25、2.抗還原性能提升：致密的yb2o3包覆層不僅作為屏障，在經(jīng)歷高溫?zé)蛇^程中核殼結(jié)構(gòu)不會遭到破壞，而且正是因為這層從粉體到陶瓷都存在的致密包覆層的存在，有效阻止了還原性氣氛與鈦酸鋇的直接接觸，還抑制了鈦酸鋇本征氧的釋放顯著提升了陶瓷的抗還原性能，這使得采用cu、ni等賤金屬作為mlcc內(nèi)電極成為可能，適合超薄介質(zhì)層賤金屬內(nèi)電極多層陶瓷電容器的生產(chǎn)，可以有效降低生產(chǎn)成本。

26、3.粒徑控制：本發(fā)明通過化學(xué)包覆法在粒徑100nm左右的鈦酸鋇(batio3)粉體表面形成了一層致密的yb2o3包覆層，在粉體端就形成了核殼結(jié)構(gòu)，有效抑制了鈦酸鋇在高溫?zé)Y(jié)過程中的晶粒長大現(xiàn)象，且包覆層不隨著燒瓷的過程遭到破壞，這不僅滿足了多層陶瓷電容器(mlcc)對小型化的需求，還保證了陶瓷介質(zhì)層具有更多的層數(shù)和更薄的介質(zhì)層厚度，從而提高了電容器的性能。

27、4.工藝簡單，易于實施：本發(fā)明的制備方法步驟清晰、操作簡便，易于在工業(yè)生產(chǎn)中推廣和應(yīng)用。通過調(diào)整yb2o3的包覆量和燒結(jié)條件，可以進一步優(yōu)化陶瓷的性能，滿足不同領(lǐng)域和應(yīng)用的需求。