o
Способ изготовления титаната бария (BaTiO3) для многослойных керамических конденсаторов с температурой спекания диэлектрика не более 1130С
METHOD OF MANUFACTURING BARIUM TITANATE (BATIO3) FOR MULTILAYER CERAMIC CONDENSERS WITH SOLVENT TEMPERATURE OF DIELECTRIC NOT MORE THAN 1130 °C

Изобретение относится к области производства материалов для электронной техники и может быть использовано в диэлектриках на основе титаната бария при изготовлении многослойных керамических конденсаторов.
Известен способ получения титаната бария методом химического осаждения солей бария и титана [1]. Способ заключается в приготовлении растворов тетрахлорида титана, хлорида бария и щавелевой кислоты, смешения их, отделения полученного осадка титанилоксалата бария от маточного раствора, его промывка, сушка с последующей прокалкой при температуре 1100°C. Полученный таким методом титанат бария широко используется в диэлектриках на его основе при изготовлении многослойных керамических конденсаторов 2-го типа (низкочастотных) с температурой спекания диэлектрика не более 1130°C, где в качестве материала электрода используется низкоплавкий сплав серебро-палладий (70% Ag/30% Pd). Использование сплава серебро-палладий (70% Ag/30% Pd) возможно при условии, что температура спекания диэлектрика не будет превышать 1130°C, так как выше этой температуры происходит оплавление электродов. Недостатком данного способа изготовления является его сложность, многостадийность процесса, низкая экологичность и, как следствие, высокая стоимость полученного таким способом титаната бария.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является способ изготовления титаната бария методом термического синтеза смеси карбоната бария и диоксида титана [2], заключающийся в том, что карбонат бария и диоксид титана смешивают мокрым способом в шаровой мельнице, футерованной износостойкой резиной, высокоглиноземистыми мелющими телами. Одновременно со смешением происходит измельчение - помол смеси. Далее размолотая смесь (шликер) с помощью дозирующих устройств подается в печь. В промышленном варианте используется вращающаяся печь. Конечный продукт титанат бария образуется при максимальной температуре в печи, не ниже 1200°C. Недостатком данного способа является невозможность получить высокую степень размола исходных материалов в шаровой мельнице высокоглиноземистыми мелющими телами. Вследствие этого обжиг титаната бария производят при температуре не ниже 1200°C. Кроме того, при длительном помоле происходит намол глинозема от мелющих тел, что снижает диэлектрические характеристики конечного продукта - титаната бария. Полученный таким способом титанат бария крупнозернистый имеет низкую химическую активность, в результате чего он не пригоден для использования в составе диэлектрика при изготовлении многослойных керамических конденсаторов с температурой спекания диэлектрика не более 1130°C, где в качестве электрода используется низкоплавкий сплав 70% Ag/30% Pd, из-за низких электрофизических свойств конденсаторов. Использование мелкодисперсного исходного сырья ограничено применением карбоната бария, который в отличие от диоксида титана крупнозернистый, со средним размером частиц 7-9 мкм.
Решаемая задача - снижение себестоимости изготовления титаната бария и многослойных керамических конденсаторов с низкой температурой спекания диэлектрика (не более 1130°C) на его основе.
Задача решается за счет того, что смешение карбоната бария и двуокиси титана осуществляется в смесителе, а помол смеси осуществляется в бисерной мельнице мокрым способом до размера частиц не более 1 мкм, где в качестве мелющих тел используется бисер из двуокиси циркония диаметром 0,8-1,8 мм, с последующей сушкой смеси и обжигом ее в воздушной среде в интервале температур от 1050°C до 1150°C.
Реализация изобретения позволит получить высокую степень размола исходных компонентов шихты титаната бария до среднего размера частиц не более 1,0 мкм без снижения диэлектрических характеристик готового титаната бария, в результате чего, обжиг титаната бария осуществляется при температуре от 1050°C до 1150°C. Полученный таким способом титанат бария имеет высокую химическую активность, что позволяет его использовать в составе диэлектрика при изготовлении многослойных керамических конденсаторов с температурой спекания диэлектрика не более 1130°C.
Сопоставительный анализ заявляемого способа изготовления титаната бария с прототипом показывает, что он отличается от известного тем, что смешение карбоната бария и двуокиси титана осуществляется в смесителе, а мокрый помол шихты осуществляется в бисерной мельнице с использованием мелющих тел в виде бисера из двуокиси циркония диаметром 0,8-1,8 мм, что позволяет получить шихту титаната бария сверхтонкого помола, благодаря чему обжиг титаната бария проходит при пониженных температурах от 1050°C-1150°C, что делает возможным использование его в составе диэлектрика многослойных керамических конденсаторов с температурой спекания диэлектрика не более 1130°C. Таким образом, предлагаемый способ получения титаната бария является новым. Кроме того, заявляемый способ является промышленно применимым, что вытекает из результатов экспериментальной проверки и достигаемого технического результата.
Реализация заявленного способа происходит следующим образом. Карбонат бария и двуокись титана, взятые в стехиометрическом соотношении, смешивают с водой в смесителе в соотношении 1:(1,2-1,5) в течение 10-15 минут до образования однородной суспензии (шликера). Из смесителя с помощью мембранного или перистальтического насоса суспензия поступает в размольную камеру бисерной мельницы, где происходит измельчение смеси карбоната бария и двуокиси титана мелющими телами в виде бисера из двуокиси циркония диаметром 0,8-1,8 мм. Из размольной камеры суспензия поступает обратно в смеситель. Процесс помола длится до достижения размера частиц смеси не более 1,0 мкм. Размолотая таким способом шихта титаната бария подвергается конвекционной сушке в сушильном шкафу или посредством распылительной сушилки. Далее шихта подвергается обжигу в воздушной среде при температуре от 1050°C до 1150°C с выдержкой при максимальной температуре 1-2 часа с образованием конечного продукта - титаната бария.
Свойства титаната бария и многослойных керамических конденсаторов, изготовленных из материала на основе титаната бария, полученного предлагаемым способом, подтверждаются результатами экспериментальной проверки, данные о которых приведены в таблице 1.
Продолжение таблицы 1
-4
Как следует из таблицы 1, предлагаемый способ изготовления титаната бария позволяет получать многослойные керамические конденсаторы из керамических материалов на его основе с температурой спекания диэлектрика не более 1130°C, с требуемыми электрофизическими характеристиками и на уровне конденсаторов на основе титаната бария полученного химическим методом [1], в то время как при использовании титаната бария, изготовленного по известному способу (прототипу), многослойные керамические конденсаторы имеют низкие электрофизические параметры: диэлектрическая проницаемость снижена в 2 раза, диэлектрические потери (tgδ) выше нормативных значений (>200*10), значительно снижены сопротивление изоляции и электропрочность конденсатора.
Экспериментально установлено, что наилучший технический результат достигается при размоле шихты титаната бария до размера частиц не более 1 мкм. При размере частиц более 1 мкм возрастает температура обжига титаната бария, что снижает электрофизические свойства конденсаторов на его основе. Диаметр бисера от 0,8 до 1,8 мм обеспечивает наибольшую эффективность помола. Снижение температуры обжига титаната бария ниже 1050°C и повышение температуры выше 1150°C снижает электрофизические параметры многослойных керамических конденсаторов, изготовленных с использованием полученного титаната бария.
В настоящее время разработан техпроцесс изготовления титаната бария, а также в условиях опытного производства изготовлен титанат бария по заявляемому способу и многослойные керамические конденсаторы на его основе.
Практическое применение заявляемого способа в производстве многослойных керамических конденсаторов позволит отказаться от закупок дорогостоящего титаната бария производства компании «Fuji Titanium Industry Co., Ltd» (Япония), тем самым снизить импортозависимость и за счет этого в 6-7 раз уменьшить затраты, связанные с использованием титаната бария компании «Fuji Titanium Industry Co., Ltd».
В странах СНГ титанат бария для многослойных керамических конденсаторов с низкой температурой спекания не производится.
Источники информации
1. Патент РФ №2060946.
2. Ротенберг Б.А. «Керамические конденсаторные диэлектрики», стр. 177-178.