DE1464462C - Process for the production of electrical capacitors. Eliminated from: 1244038 - Google Patents
Process for the production of electrical capacitors. Eliminated from: 1244038Info
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kondensatoren, bei dem Glasstreifen mit Metallfolien abwechselnd zu einem Stapel aufgebaut und von einem aus Glas bestehenden Hüllkörper umgeben werden und dieses Gebilde an-, schließend unter Druck zu einem hermetisch abgeschlossenen Körper verschmolzen wird.The invention relates to a method for producing electrical capacitors, in which glass strips alternately built into a stack with metal foils and an envelope made of glass are surrounded and this structure then, under pressure, to form a hermetically sealed one Body is fused.
Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren bekannt, bei dem vorgeformte Teile für die dielektrische Umhüllung und für die dielektrische Zwischenschicht(en) mit den elektrisch leitenden Schichten zusammengelegt und die Teile der Umhüllung unter Anwendung von Hitze und Druck miteinander und mit den Anschlußdrähten verschmolzen werden (USA.-Patentschrift 2 696 577). Erfindungsgemäß soll nun ein Kondensator unter Verwendung von Gläsern entwickelt werden, die sich durch Wärmebehandlung in einen Glaskristallmischkörper umwandeln lassen und hierbei in wirtschaftlichster Arbeitsweise zu einem Kondensator mit den erstrebten Eigenschaften, wie sie an sich nur keramische Zwischenschichten Jiefern würden, zu gelangen.A method for the production of capacitors is already known, in which preformed parts for the dielectric coating and for the dielectric intermediate layer (s) with the electrically conductive ones Layers put together and the parts of the envelope using heat and pressure fused to each other and to the lead wires (U.S. Patent 2,696,577). According to the invention a capacitor is now to be developed using glasses that extend through Convert heat treatment into a glass crystal mixed body and here in the most economical Functioning of a capacitor with the desired properties that are only ceramic in themselves Intermediate layers would come.
Die Erfindung soll nicht darauf beschränkt sein, durch Verwendung eines besonderen Glases zu einem Kondensator besonders kleiner Abmessungen zu gelangen, dessen Schichten zwischen den Metallschichten unter entsprechender Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten und Durchschlagfestigkeit die dazu erforderlichen geringen Dickenabmessungen aufweisen, sondern auch darüber informieren, wie man vorzugehen hat, um auf dem schnellsten und wirtschaftlichsten Wege zu dem gewünschten Ergebnis zu gelangen.The invention is not intended to be limited to one by the use of any particular glass Capacitor of particularly small dimensions to get its layers between the metal layers with a corresponding increase in the dielectric constant and dielectric strength the necessary for this have small thickness dimensions, but also provide information on how to proceed has to get to the desired result in the fastest and most economical way reach.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kondensatoren, bei dem Glasstreifen mit Metallfolien abwechselnd zu einem Stapel aufgebaut und von einem aus Glas bestehenden Hüllkörper umgeben werden, und dieses Gebilde anschließend unter Druck zu einem hermetisch abgeschlossenen Körper verschmolzen wird, dadurch, daß für die Glasstreifen und den Hüllkörper eine Zusammensetzung aus auf Oxydbasis, einer Gesamtmenge von 30 bis 90 Molprozent der Bestandteile wenigstens einer ferroelektrischen Sauerstoff-Octaeder-Verbindung aus der Gruppe des BaTiO3, CdTiO.,, NaNbO3, KNbO3, Cd0 5NbO3, Sr0 5Nb03, Pb0 5NbO^, Ba0-5NbQ3, CdNbO3 5, SrNbO3 5, BaNbO35, PbNbO3-5, CdZrO3, CaZrO3 und PbZrO3' und aus einem glasbildenden Oxyd aus der Klasse SiO2, B2O3 und P2O5 verwandt wird und der Kondensator nach dem Verschmelzen gekühlt, wieder erwärmt und auf einer Temperatur zwischen der Spitzentemperatur der Kristallisation der ferroelektrischen Verbindung und etwa 50° C unterhalb der tiefsten Stelle des ersten Schmelzabfalls der DTA-Kurve des Glases für einen Zeitraum von wenigstens einer Stunde bei der niedrigsten Temperatur, bis zu wenigstens einer halben Minute bei der höheren Temperatur zur Kristallisation der ferroelektrischen Verbindung gehalten und anschließend völlig abgekühlt wird.This is achieved according to the invention in a method for the production of electrical capacitors, in which glass strips with metal foils are alternately built into a stack and surrounded by an envelope made of glass, and this structure is then fused under pressure to form a hermetically sealed body, in that For the glass strips and the enveloping body, a composition of oxide-based, a total amount of 30 to 90 mol percent of the constituents of at least one ferroelectric oxygen octahedral compound from the group of BaTiO 3 , CdTiO. ,, NaNbO 3 , KNbO 3 , Cd 0 5 NbO 3 , Sr 0 5 Nb0 3 , Pb 0 5 NbO ^, Ba 0-5 NbQ 3 , CdNbO 3 5 , SrNbO 3 5 , BaNbO 35 , PbNbO 3-5 , CdZrO 3 , CaZrO 3 and PbZrO 3 'and from a glass-forming Oxide from the class SiO 2 , B 2 O 3 and P 2 O 5 is used and the condenser is cooled after fusing, reheated and at a temperature between the peak temperature of the crystallization of the ferr oelectric compound and about 50 ° C below the lowest point of the first melting drop of the DTA curve of the glass for a period of at least one hour at the lowest temperature, up to at least half a minute at the higher temperature for crystallization of the ferroelectric compound and then is completely cooled.
Ein Glaskörper, der gute dielektrische Eigenschaften aufweist, ist zwar bekanntgeworden (französische Patentschrift 1 177 799), bei dem eine Mischung aus ferroelektrischen Oktaederverbindungen und glasbildenden Oxyden miteinander verschmolzen werden, worauf dieses Material in die gewünschte Form gebracht wird. Der fertige geformte noch heiße Körper wird auf eine Temperatur abgekühlt, die zwischen der Spitzentemperatur der Kristallisation und der Anlaßtemperaturen liegt, bis sich im Glas eine genügende Anzahl Kristallkeime gebildet hat und danach wieder auf eine Temperatur erwärmt, bei der die sich bildenden Kristalle sich noch nicht wieder lösen. Diese Temperatur wird hierbei so lange gehalten, bis die Viskosität des Materials bei dieser Temperatur infolge der fortschreitenden Kristallbildung praktisch unendlich wird.A glass body that has good dielectric properties has become known (French Patent specification 1 177 799), in which a mixture of ferroelectric octahedral compounds and glass-forming Oxides are fused together, whereupon this material is brought into the desired shape will. The finished, molded body is cooled to a temperature which is between that and while it is still hot The peak temperature of the crystallization and the tempering temperatures is until a sufficient temperature is reached in the glass Number of crystal nuclei has formed and then heated again to a temperature at which the forming Crystals do not yet loosen again. This temperature is kept until the Viscosity of the material at this temperature due to the progressive crystal formation practically becomes infinite.
Als Beispiel für diese bekannte Lehre werden Gläser genannt, die eine Bleititanatkristallphase während der
Wärmebehandlung entwickeln. Solche nur bei hoher Temperatur ferroelektrischen Materialien sind aber
für die Zwecke der Erfindung unbrauchbar, da Bleititanat nur bei erhöhten Temperaturen im Bereich
von 400 bis 500° C ferroelektrische Eigenschaften und keinerlei nützliche ferroelektrische Eigenschaft im
Bereich zwischen Zimmertemperatur und Arbeitstemperaturen bis etwa 20O0C aufweist. Ferner sind
Mischungen aus BaO, TiO2, SiO2 und Al2O3 angegeben,
deren Gehalt an BaTiO3 kleiner ist als 30 Molprozent. Die bekannten Gläser sind für die Zwecke
nach der Erfindung ungeeignet.
Weitere Vorteile der Erfindung einschließlich eines Verfahrens zur Herstellung dieses Kondensators sowie
neuartiger Zusammensetzungen zur Herstellung dieses Kondensators durch das genannte Verfahren
sollen im folgenden an Hand der Zeichnungen noch näher erläutert werden.Glasses which develop a lead titanate crystal phase during the heat treatment are cited as an example of this known teaching. Such ferroelectric only at high temperature materials are unsuitable for the purposes of the invention because the lead titanate exhibits only at elevated temperatures in the range of 400 to 500 ° C ferroelectric properties and no useful ferroelectric property in the range between room temperature and operating temperatures up to about 20O 0 C. Mixtures of BaO, TiO 2 , SiO 2 and Al 2 O 3 are also given, the BaTiO 3 content of which is less than 30 mol percent. The known glasses are unsuitable for the purposes of the invention.
Further advantages of the invention, including a method for producing this capacitor and novel compositions for producing this capacitor by the method mentioned, are to be explained in more detail below with reference to the drawings.
'3° Die Zeichnungen zeigen in ,'3 ° The drawings show in,
F i g. 1 eine graphische Darstellung zur Wiedergabe des Verhältnisses der Temperatur in 0C urjä' der ,Dielektrizitätskonstanten K von Kondensatordielektriken gemäß der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung des Einflusses von Fluor in Zusammensetzung aus BaTiO3, SiO2 und Al2O3,F i g. 1 is a graph showing the relationship of the temperature in 0 C urjä 'the, dielectric constant K of capacitor dielectrics according to the present invention to illustrate the influence of fluorine in the composition of BaTiO 3 , SiO 2 and Al 2 O 3 ,
F i g. 2 eine der F i g. 1 ähnliche graphische Darstellung zur Wiedergabe der Wirkung eines zusätzlichen stabilen Oxydes in den Zusammensetzungen; dabei bedeutet der Ausdruck »stabiles Oxyd« ein Oxyd eines Metalls oder eines Metalloids, welches in die geschmolzene Glaszusammensetzung für den Kondensator gemäß der Erfindung eingebaut werden kann und ohne wesentliche Verluste durch Zersetzung und/oder Verflüchtigung in dieser Glaszusammensetzung verbleibt, F i g. 2 one of the F i g. 1 similar graph to show the effect of an additional stable oxide in the compositions; the expression "stable oxide" means an oxide a metal or a metalloid which is included in the molten glass composition for the capacitor can be incorporated according to the invention and without significant losses due to decomposition and / or Volatilization remains in this glass composition,
F i g. 3 eine Kurve einer Differentialthermoanalyse einer Glaszusammensetzung, die im wesentlichen aus BaO, TiO2, SiO2 und Al2O3 besteht, wobei die angenäherten Temperaturen des Anlaßpunktes des Glases, die Bildung der ferroelektrischen Kristallphasfe im Glas und das Schmelzen dieser Phase beim fortschreitenden Anstieg der Temperaturen des Glases wiedergegeben sind,F i g. 3 is a curve of a differential thermal analysis of a glass composition consisting essentially of BaO, TiO 2 , SiO 2 and Al 2 O 3 , the approximate temperatures of the tempering point of the glass, the formation of the ferroelectric crystal phase in the glass and the melting of this phase as the increase progresses the temperatures of the glass are shown,
F i g. 4 eine Differentialthermoanalysekurve nach F i g. 3 für eine im wesentlichen aus BaO, TiO2 und CaO bestehende Glaszusammensetzung zur Wiedergabe der angenäherten Temperaturen des Anlaßpunktes, der Kristallphasenbildung und des Schmel-F i g. 4 shows a differential thermal analysis curve according to FIG. 3 for a glass composition consisting essentially of BaO, TiO 2 and CaO to reproduce the approximate temperatures of the tempering point, the crystal phase formation and the melting
zen des Glases, .zen of the glass,.
F i g. 5 eine Differentialthermoanalysekurve einer im wesentlichen aus Nb2O5, Na2O, CdO und SiO2 bestehenden Glaszusammensetzung unter Wiedergabe der angenäherten Temperaturen des Anlaßpunktes, derF i g. 5 is a differential thermal analysis curve of a glass composition consisting essentially of Nb 2 O 5 , Na 2 O, CdO and SiO 2 , showing the approximate temperatures of the tempering point, the
Kristallphasenbildung und des Schmelzen des Glases. F i g. 6 einige Kurven zur Wiedergabe der Beziehung zwischen Dielektrizitätskonstante und Temperatur einiger halbkristalliner Körper,Crystal phase formation and melting of the glass. F i g. Fig. 6 shows some curves showing the relationship between dielectric constant and temperature some semi-crystalline bodies,
F i g. 7 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kondensator.F i g. 7 shows a section through a capacitor according to the invention.
Es hat sich herausgestellt, daß man einen, wenigstens eine ferroelektrische kristalline Phase enthaltenden keramischen Körper mit hoher Dielektrizitätskonstante, die im folgenden in üblicher Weise mit K bezeichnet werden soll, niedrigem Verlustfaktor {L.T.) und hoher Uberschlagsspannung sowie höherem Isolationswiderstand als bei bekannten Produkten zusammen mit anderen wünschenswerten physikalischen und elektrischen Eigenschaften erhält, wenn man einen Glaskörper gewünschter Größe und Form mit Oxydbestandteilen, die sich zu einer oder mehreren solchen ferroelektrischen kristallinen Phasen vereinigen, durch Wärmebehandlung einer gesteuerten Kristallisation unterzieht.It has been found that a ceramic body containing at least one ferroelectric crystalline phase with a high dielectric constant, which is to be referred to below in the usual way with K , a low loss factor (LT) and a high flashover voltage and higher insulation resistance than in known products together with Other desirable physical and electrical properties are obtained when a glass body of the desired size and shape with oxide constituents which combine to form one or more such ferroelectric crystalline phases is subjected to controlled crystallization by heat treatment.
Die neuen Produkte besitzen, da sie aus homogenen, aus flüssigen Schmelzen hergestellten Gläsern entstanden sind, eine Porosität, die praktisch == Null ist, eine optimale Homogenität und eine gleichmäßige Verteilung der kristallinen Phase oder Phasen in sehr kleiner Teilchengröße, so daß ihr spezifischer Widerstand bei Temperaturen bis zu 400° C Werte von 10u Ohm cm erreicht und ihre Dielektrizitätskonstanten und Uberschlagsspannungen unerwartet höher als diejenige der Körper sind, welche aus den gleichen oder im wesentlichen gleichen Oxydzusammensetzungen bestehen, jedoch nach den bekannten Verfahren gebunden und gesintert sind. Die Temperatur bei der Wärmebehandlung dieser Produkte hat eine außerordentlich große Wirkung auf den Wert von K des derart hergestellten Kondensators und gibt ein bequemes und praktisches Mittel zu seiner Steuerung.The new products have, since they are made from homogeneous glasses made from liquid melts, a porosity that is practically == zero, an optimal homogeneity and a uniform distribution of the crystalline phase or phases in very small particle size, so that their specific resistance reaches values of 10 u ohm cm at temperatures up to 400 ° C. and their dielectric constants and flashover voltages are unexpectedly higher than those of the bodies which consist of the same or essentially the same oxide compositions, but are bonded and sintered by the known processes. The temperature at which these products are heat-treated has an extremely large effect on the value of K of the capacitor so manufactured and provides a convenient and practical means of controlling it.
Darüber hinaus sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ausgangsglases und des daraus abgeleiteten halbkristallinen Produkts wenigstens in einigen Fällen einander so ähnlich, daß in verhältnismäßig dünnen Körpern, beispielsweise Scheiben oder Schichten, keine Bruchkräfte entstehen, so daß man diese dünnen Körper örtlich erhitzen und kristallisieren kann, um derart in verschiedenen Teilen Bereiche abweichender jKVWerte zu erzielen.In addition, the thermal expansion coefficients of the starting glass and the one derived from it semicrystalline product at least in some cases so similar that in proportion thin bodies, for example disks or layers, no breaking forces arise, so that one These thin bodies can heat up locally and crystallize to form different parts of the area to achieve different jKV values.
In diesen Fällen kann jede Volumenänderung des halbkristallinen Teiles während seiner Kristallisation infolge der vergleichsweise niedrigen Viskosität des umgebenden Glases auftreten, die für diese Gläser oberhalb ihres Erweichungspunktes charakteristisch ist und eine Wiedereinstellung des Volumens erlaubt.In these cases, any change in volume of the semicrystalline part during its crystallization can occur due to the comparatively low viscosity of the surrounding glass that occur for these glasses is characteristic above its softening point and allows readjustment of the volume.
In der Regel erweichen die bei der Erfindung verwendeten Gläser ohne Kristallisation bei etwa 10 bis 50° C oder mehr unterhalb der Temperatur, bei der die Kristallisation beginnt. Dies erlaubt ein Verschmelzen des einen Glasstückes mit dem anderen vor ihrer Kristallisation.As a rule, the glasses used in the invention soften without crystallization at about 10 to 50 ° C or more below the temperature at which crystallization starts. This allows merging one piece of glass with the other before it crystallizes.
Es hat sich herausgestellt, daß die ferroelektrischen Verbindungen vor anderen Phasen bei Temperaturen im Gesamtbereich von etwa 700 bis HOO0C sich zu formen und zu kristallisieren beginnen und daß wegen der niedrigen Formungstemperaturen weniger fehlerhafte Kristalle mit Sauerstoffmangel beim erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden als bei dem bekannten Sinterverfahren, was für die dielektrischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Produktes einen weiteren Vorteil bedeutet. Ferner ist eine weitere Veränderungsmöglichkeit der Zusammensetzungen möglich, und man kann aus Silber oder Kupfer be: stehende Elektroden auf die Glaskörper aufbringen und zusammen mit dem Körper in dem endgültigen halbkristallinen Zustand brennen, da in diesem Temperaturbereich diese Metallelektroden nicht nachteilig beeinflußt werden. Ferroelektrische Verbindungen lassen sich im allgemeinen in vier Klassen unterteilen, von denen die Sauerstoff-Oktaeder-Familie, die durch eine oktaedrische Anordnung der Sauerstoffionen in dem Kristallgitter gekennzeichnet ist, die hier genannten keramischen Ferroelektrika enthält (Proceedings of I. R. E., Bd. 43, S. 1738 bis 1793, besonders S. 1740).It has been found that the ferroelectric compounds begin to form and crystallize before other phases at temperatures in the total range from about 700 to HOO 0 C and that, because of the low forming temperatures, fewer defective crystals with an oxygen deficiency are produced in the process according to the invention than in the known Sintering process, which means a further advantage for the dielectric properties of the product according to the invention. Furthermore, a further variation possibility of the compositions is possible and can be made of silver or copper: stationary electrodes applied to the glass body and together burn with the body in the final semi-crystalline state, since in this temperature range, these metal electrodes are not adversely affected. Ferroelectric compounds can generally be divided into four classes, of which the oxygen octahedron family, which is characterized by an octahedral arrangement of the oxygen ions in the crystal lattice, contains the ceramic ferroelectrics mentioned here (Proceedings of IRE, Vol. 43, p. 1738 to 1793, especially p. 1740).
Die ferroelektrischen Sauerstoff-Oktaeder-Verbindungen, die kristallographisch als Perovskit der wichtigsten Gruppe, »Pyrochlor« usw. bezeichnet werden, sowie Mischungen davon eignen sich insbesondere für die Zwecke der vorliegenden Erfindung. Ferroelektrische Perovskitverbindungen haben die allgemeine Oxydformel ABO3, wobei A und B Ionen · mit großem bzw. kleinem Radius sind und der Gesamtwert ihrer Valenzen 6 beträgt und einzeln sich entweder auf die entsprechenden Werte 3 und 3, wie beispielsweise in LaGaO3, oder auf 2 und 4, wie beispielsweise in BaTiO3, oder auf 1 und 5, wie in NaNbO3, berechnet. Im allgemeinen können die Α-Ionen aus der L, II. und III. Gruppe des Periodischen Systems und die B-Ionen aus der II. bis ' V. Gruppe ausgewählt werden. Andere ferroelektrische Sauerstoff-Oktaeder-Verbindungen sind beispielsweise CdNb2O6 und WO3. Mischkristallbildung ist unter Ferroelektrika weit verbreitet, und ein struktureller Überschuß oder Mangel an Sauerstoff bezüglich der Oktaederform läßt sich durch geeignete ^WaIiI4 der Bestandteile der festen Lösungen kompensieren.The ferroelectric oxygen octahedral compounds, which are crystallographically referred to as perovskite of the most important group, "pyrochlore" etc., as well as mixtures thereof, are particularly suitable for the purposes of the present invention. Ferroelectric perovskite compounds have the general oxide formula ABO 3 , where A and B are ions with a large and small radius, respectively, and the total value of their valences is 6 and individually refer to either the corresponding values 3 and 3, as for example in LaGaO 3 , or 2 and 4, as in BaTiO 3 , or calculated to 1 and 5, as in NaNbO 3. In general, the Α-ions from the L, II. And III. Group of the periodic table and the B ions can be selected from groups II to V. Other ferroelectric oxygen octahedral compounds are, for example, CdNb 2 O 6 and WO 3 . Mixed crystal formation is widespread among ferroelectrics, and a structural excess or deficiency of oxygen octahedron with respect to the can by suitable WaIiI ^ 4 of the constituents of the solid solutions compensate.
Obwohl die Erfindung allgemein auf die Herstellung von Kondensatoren anwendbar ist, welche ferroelektrische Verbindungen der Sauerstoff-Oktaeder-Familien und Mischungen davon enthalten, besitzen .·■ Körper mit -perovskitartigen ferroelektrischen Ver- / bindungen, insbesondere BaTiO3, besonders vorteilhafte Eigenschaften, und die Erfindung soll im folgenden aus Gründen der kürzeren Darstellung, jedoch nicht zum Zwecke der Begrenzung und Be- ' schränkung im Hinblick auf solche bevorzugten Kondensatoren, ihre Zusammensetzungen und die Verfahren zu ihrer Herstellung näher beschrieben werden.Although the invention is generally applicable to the production of capacitors which contain ferroelectric compounds of the oxygen octahedron families and mixtures thereof, bodies with perovskite-like ferroelectric compounds, in particular BaTiO 3 , have particularly advantageous properties, and the In the following, the invention is to be described in more detail for the sake of brevity, but not for the purpose of limitation and restriction with regard to such preferred capacitors, their compositions and the processes for their production.
Infolgedessen bezieht sich die folgende Auseinandersetzung hauptsächlich auf ferroelektrische keramische Kondensatoren, in denen die ferroelektrische kristalline Phase BaTiO3 ist. Die Erfindung umfaßt in ihrem weiten Umfang jedoch auch Kondensatoren, bei (jenen ' die kristalline Phase oder die kristallinen Phasen eine oder mehrere andere ferroelektrische Verbindungen der Sauerstoff-Oktaeder-Familien oder feste Lösungen oder Gemische davon enthalten, wie man aus den später noch zu erörternden Zusammensetzungen er-As a result, the following discussion mainly relates to ferroelectric ceramic capacitors in which the ferroelectric crystalline phase is BaTiO 3 . However, the invention in its broad scope also includes capacitors in which the crystalline phase or phases contain one or more other ferroelectric compounds of the oxygen octahedral families or solid solutions or mixtures thereof, as can be seen from the later to be discussed Compositions
kennt. -knows. -
Für die Herstellung einer Gruppe ferroelektrischer keramischer Kondensatoren aus BaTiO3 baut man in die Zusammensetzung vorzugsweise SiO2 und Al2O3 ein, um die Glasbildung zu begünstigen. Die Zugabe geringer Mengen von Fluor verbessert die dielektrischen Eigenschaften des halbkristallinen Produktes und die Schmelzeigenschaften des'Glases. Es hat sich herausgestellt, daß der breiteste Bereich solcher Zusammensetzung auf Oxydbasis in kation. Molprozent 30 bis 45% BaO, 15 bis 40% TiO2, 7 bis 26% SiO2, 3 bis 30% AlO1 5, wobei sich der Anteil an AlO1 5 vom Anteil an SiO2 um nicht mehr als etwa vier Drittel der Menge an SiO2 unterscheidet, und 0,5For the production of a group of ferroelectric ceramic capacitors from BaTiO 3 , SiO 2 and Al 2 O 3 are preferably incorporated into the composition in order to promote glass formation. The addition of small amounts of fluorine improves the dielectric properties of the semi-crystalline product and the melting properties of the glass. The broadest range of such oxide-based compositions has been found to be cationic. Mole percent of 30 to 45% BaO, 15 to 40% TiO 2, 7 to 26% SiO 2, 3 to 30% AlO 1 5, wherein the proportion of AlO 1 5 of the proportion of SiO 2 by no more than about four thirds of the Amount of SiO 2 differs, and 0.5
bis 1,5% Fluor besteht, wobei die Gesamtmenge an BaO, TiO2, SiO2, AlO15 und Fluor wenigstens 90% beträgt. Vorzugsweise sollte der Anteil an BaO O bis 100% im Überschuß über das 1:1 stöchiometrische Äquivalent von BaTiO3, basierend auf der Menge des vorhandenen TiO2, betragen, wobei der Überschuß bei geringer werdendem Anteil an TiO2 vorzugsweise höher ist.up to 1.5% fluorine, the total amount of BaO, TiO 2 , SiO 2 , AlO 15 and fluorine being at least 90%. The proportion of BaO O should preferably be up to 100% in excess of the 1: 1 stoichiometric equivalent of BaTiO 3 , based on the amount of TiO 2 present, the excess preferably being higher as the proportion of TiO 2 decreases.
Kation. Molprozentsätze werden in den angegebenen Zusammensetzungen verwendet, um Ungenauig- ι ο keiten zu vermeiden, die sich aus der Berechnung auf der angenommenen Oxydbasis der Molprozentsätze der Zusammensetzungen mit einem Oxyd ergeben, das zwei oder mehrere eines gegebenen Kations enthält. Gemäß diesem Verfahren zur Bestimmung der entsprechenden Anteile bringt jede gegebene Oxydformel zum Ausdruck, daß sie ein Metallatom als das Kation enthält. Wenn einzelne Elemente in einer der Zusammensetzungen in Fluoridform vorliegen, wird der kation. Molprozentsatz des Elementes noch auf Oxydbasis angegeben. Die Oxydkomponenten solcher Zusammensetzungen ergeben insgesamt 100 kation. Molprozent. Fluor, berechnet als F2, wird extra angegeben und kommt in kation. Molprozent der Gesamtmenge zum Ausdruck. Da der Anteil an Fluor sehr klein ist, ist der sich daraus ergebende Fehler vernachlässigbar.Cation. Mole percentages are used in the specified compositions in order to avoid inaccuracies resulting from calculating, on the assumed oxide basis, the mole percentages of compositions with an oxide containing two or more of a given cation. According to this method of determining the appropriate proportions, any given oxide formula expresses that it contains a metal atom as the cation. When individual elements in one of the compositions are in fluoride form, the cation. Mole percentage of the element still given on an oxide basis. The oxide components of such compositions make a total of 100 cations. Mole percent. Fluorine, calculated as F 2 , is specified separately and comes in cation. Mole percent of the total amount expressed. Since the fluorine content is very small, the error resulting therefrom is negligible.
Ein enger Bereich von in den oben angegebenen Bereich fallenden Zusammensetzungen, bei denen die Anwesenheit von Fluor fakultativ ist, enthält auf Oxydbasis in kation. Molprozent 30 bis 40% BaO, 15 bis 40% TiO2, wobei die Menge an BaO 0 bis 100% im Überschuß des 1: 1 stöchiometrischen Äquivalentes von BaTiO3, basierend auf der Menge des vorhandenen TiO2, vorliegt und der Überschuß um so höher wird, je niedriger die Menge an TiO2 ist, 0,5 bis 26% SiO2 und 7 bis 25% AlO15, wobei die Menge an AlO1 5 um nicht mehr als etwa vier Drittel von der Menge an SiO2 abweicht, und die Gesamtmenge an BaO5TiO2, SiO2 und AlO15 wenigstens 90% beträgt. 'A narrow range of compositions falling within the range given above, in which the presence of fluorine is optional, contains, on an oxide basis, cation. Mole percent 30 to 40% BaO, 15 to 40% TiO 2 , the amount of BaO being 0 to 100% in excess of the 1: 1 stoichiometric equivalent of BaTiO 3 based on the amount of TiO 2 present and the excess being so is higher, the lower the amount of TiO 2 is 0.5 to 26% SiO 2 and 7 to 25% AlO 15, wherein the amount of AlO 1 5 no longer deviates than about four-thirds of the amount of SiO 2, and the total amount of BaO 5 TiO 2 , SiO 2 and AlO 15 is at least 90%. '
Bei der Verwendung einer der oben angegebenen Zusammensetzungen geht man so vor, daß man sie schmilzt, sie rasch zur Bildung eines Glases abkühlt und dann das Glas durch Erwärmen auf vorzugsweise zwischen 850 und 1150° C, für eine Zeit von wenigstens einer Stunde bei 850°C oder wenigstens V2 Minute bei 1150° C in der Wärme behandelt, um das Glas zu kristallisieren. Während eine minimale Wärmezeit wesentlich ist, sind längere Erwärmungszeiten nicht nachteilig, jedoch aus wirtschaftliehen Gründen unerwünscht. Die sich durch diese Wärmebehandlung ergebende ferroelektrische kristalline- Phase ist BaTiO3, dessen vorteilhaften dielektrischen Vorteile bekannt sind.When using one of the compositions given above, the procedure is to melt it, cool it quickly to form a glass and then heat the glass to preferably between 850 and 1150 ° C for a period of at least one hour at 850 ° C or at least V heat treated at 1150 ° C for 2 minutes to crystallize the glass. While a minimum heating time is essential, longer heating times are not disadvantageous, but are undesirable for economic reasons. The ferroelectric crystalline phase resulting from this heat treatment is BaTiO 3 , the advantageous dielectric advantages of which are known.
Die oben angegebenen Bereiche der Bestandteile BaO, TiO2, SiO2, Al2O3 und F sind aus folgenden Gründen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kritisch. Da die gewünschten dielektrischen Eigenschaften der Kondensatoren in erster Linie von ihren Anteilen. an kristallinem BaTiO3 abhängen, führt ein wesentliches Abweichen von den oben angegebenen minimalen und maximalen Grenzprozentsätzen an BaO und TiO2 zu einer unerwünschten Verminderung des Anteils an kristallisiertem BaTiO3 und damit der Dielektrizitätskonstanten. Für optimale Ergebnisse ist ein Überschuß an BaO bis zu 100% des 1: 1 stöchiometrischen Äquivalents der vorhandenen Menge an TiO2 wünschenswert, wobei dieser Überschuß offenbar die Bildung anderer Titanverbindungen, wie diejenige von Titansilicaten des Bariums mit einem entsprechenden Verlust an den vorteilhaften Eigenschaften des BaTiO3 verhindert. Dieser Überschuß muß um so höher sein, je geringer die Menge an TiO2 ist, um die Bildung von BaTiO3 zu begünstigen und die Bildung anderer unerwünschter Kristall-'phasen zu behindern.The ranges of the constituents BaO, TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 and F given above are critical for the purposes of the present invention for the following reasons. Because the desired dielectric properties of the capacitors primarily depend on their proportions. depend on crystalline BaTiO 3 , a significant deviation from the minimum and maximum limit percentages of BaO and TiO 2 given above leads to an undesirable reduction in the proportion of crystallized BaTiO 3 and thus the dielectric constant. For optimal results, an excess of BaO up to 100% of the 1: 1 stoichiometric equivalent of the amount of TiO 2 present is desirable, this excess apparently leading to the formation of other titanium compounds, such as those of titanium silicates of barium, with a corresponding loss of the advantageous properties of the BaTiO 3 prevented. This excess must be higher, the lower the amount of TiO 2 , in order to promote the formation of BaTiO 3 and to hinder the formation of other undesired crystal phases.
Ein Überschuß von SiO2 oder ein Mangel an AlO1 5 oberhalb bzw. unterhalb der angegebenen.Grenzen steigert weiterhin die Neigung in Richtung der unerwünschten Bildung von Silikaten und der daraus resultierenden Absenkung des Wertes von K, jedoch verursacht eine zu kleine Menge an SiO2 oder ein zu großer Anteil an AlO15 eine spontane Entglasung der geschmolzenen Zusammensetzung ohne Rücksicht auf die Geschwindigkeit der Abkühlung. Um ein zufriedenstellendes Glas herzustellen, sollte also die Menge an AlO1 5 von der Menge an SiO2 nicht mehr als. vier Drittel der vorhandenen Menge an SiO2 abweichen. ' . An excess of SiO 2 or a deficiency of AlO 1 5 above or below the specified limits further increases the tendency towards the undesired formation of silicates and the resulting lowering of the value of K, but causes too small an amount of SiO 2 or too large a proportion of AlO 15 causes spontaneous devitrification of the molten composition regardless of the rate of cooling. In order to produce a satisfactory glass, the amount of AlO 1 5 should not be more than the amount of SiO 2. four thirds of the existing amount of SiO 2 differ. '.
Obwohl die Anwesenheit von Fluor fakultativ ist, wenn die Menge von BaO und TiO2 in der Nähe ihrer Maxima liegen, fördert sie doch die Bildung von BaTiO3 und unterdrückt die Bildung vqft^weniger . wünschenswerten kristallinen Verbindungen, insbesondere, wenn die Anteile an BaO und TiO2 hoch sind, übermäßige Mengen an Fluor machen das Glas jedoch empfindlich für eine Reduktion während des Schmelzvorganges, was einen Rückgang der dielektrichen Eigenschaften zur Folge hat.Although the presence of fluorine is optional when the amount of BaO and TiO 2 are near their maxima, it promotes the formation of BaTiO 3 and suppresses the formation to a lesser extent. desirable crystalline compounds, especially when the proportions of BaO and TiO 2 are high, but excessive amounts of fluorine make the glass susceptible to reduction during the melting process, which results in a decrease in dielectric properties.
Das Fluor wird in das Glas als Metällfluorid,' vorzugsweise als Fluorid eines Metalls der I. oder II. Periodischen Gruppen eingeführt, die thermisch stabiler als andere Fluoride sind. Infolge der Schwankungen ihres Molekulargewichtes ändert sich der Anteil an Fluor als solchem in dieser Zusammensetzung, abhängig vom Metall. Der Übersichtlichkeit halber sind beidenimfolgendenin kation. Molprozentangegebenen Zusammensetzungen die Prozentsätze des Fluors und des Oxyds des entsprechenden Metalls getrennt angegeben. Auf dieser Basis sollte die maximale Fluormenge einen Anteil von etwa 1,5% nicht überschreiten.The fluorine is in the glass as metal fluoride, ' preferably introduced as a fluoride of a metal of the I. or II. Periodic groups, the thermally are more stable than other fluorides. The proportion changes as a result of the fluctuations in their molecular weight of fluorine as such in this composition, depending on the metal. For the sake of clarity are both in the following information. Mole percent compositions denote the percentages of fluorine and of the oxide of the corresponding metal given separately. On this basis, the maximum amount of fluorine should be do not exceed a share of around 1.5%.
Zur weiteren Illustration der Erfindung sind Zusammensetzungen mit BaTiO3 als ferroelektrische Verbindungen, SiO2 als glasbildendes Oxyd und AlO1-5 innerhalb der oben angegebenen, zur Durchführung der Erfindung erwähnten Bereiche inTabelle I in kation. Molprozent auf Oxydbasis, berechnet aus ihren Gemengen, zusammen mit Zeit (in Stunden) und Temperatur (0C) der Wärmebehandlung, sowie die Dielektrizitätskonstante K und der Verlustfaktor (L.T) in Prozent des fertigen keramischen Körpers, jeweils gemessen bei 25° C, angegeben.To further illustrate the invention, compositions with BaTiO 3 as ferroelectric compounds, SiO 2 as glass-forming oxide, and AlO 1-5 within the above ranges mentioned for practicing the invention are included in Table I. Mol percent based on oxide, calculated from their mixtures, together with the time (in hours) and temperature ( 0 C) of the heat treatment, as well as the dielectric constant K and the loss factor (LT) in percent of the finished ceramic body, each measured at 25 ° C .
22,544.3
22.5
28,235.7.
28.2
32,337.8
32.3
19,7.33.4
19.7.
35,036.6
35.0
35,236.4
35.2
36,136.1
36.1
23,031.2
23.0
Tabelle I (Fortsetzung)Table I (continued)
SiO2 SiO 2
AlO1^ AlO 1 ^
CaO CaO
Überschuß BaO, %
Stunden .........Excess BaO,%
Hours .........
°C ° C
L.T. L.T.
16,7 9,8 0,6 1,316.7 9.8 0.6 1.3
2,5 915 6002.5 915 600
Tabelle I (Fortsetzung)Table I (continued)
llll
1212th
1313th
1515th
BaO BaO
SiO2 SiO 2
A1O1>5 A1O 1> 5
F2. F 2 .
CaO CaO
MgO. MgO.
ZnO ZnO
SrO SrO
Überschuß BaO, %
Überschuß TiO2, %Excess BaO,%
Excess TiO 2 ,%
Stunden hours
0C 0 C
KK
L.TL.T
36,1 31,8 14,8 17,336.1 31.8 14.8 17.3
13,513.5
1075 800 3,61075 800 3.6
.2 . 1075 1340 3,0 36,7
32,4
14,2
15,4
0,6.2. 1075 1340 3.0 36.7
32.4
14.2
15.4
0.6
1,31.3
13,313.3
1000
13701000
1370
2,92.9
36,836.8
32,5
14,2
15,6 ■
' 0,632.5
14.2
15.6 ■
'0.6
0,9
13,30.9
13.3
1075
12201075
1220
3,23.2
36,9
32,5
14,1
15,6
0,536.9
32.5
14.1
15.6
0.5
0,9
13,50.9
13.5
1075
13201075
1320
2,52.5
37,9 32,0 14,3 15,8 0,737.9 32.0 14.3 15.8 0.7
18,418.4
925
1350925
1350
2,82.8
35,235.2
.37,4.37.4
16,416.4
9,89.8
1,21.2
1,2/1.2 /
6,36.3
950 500950 500
2,22.2
950 1300 1,2950 1300 1.2
Die Zusammensetzungen für die Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung werden abhängig von der Größe der Schmelze in Pfannen, Tiegeln oder Behältern 1 bis 8 Stunden oder länger bei 1400° C oder darüber unter Herstellung homogener Schmelzen geschmolzen. Da die Viskositäten der sich ergebenden Gläser im allgemeinen vergleichsweise niedrig sind — sie liegen in der Größenordnung von 1 Poise oberhalb 1400° C —, bildet die Läuterung der Schmelzen kein Problem, und es ist deshalb die Verwendung von Läuterungsmitteln in den Bädern unnötig. Vorzugsweise wird das Schmel-. zen unter neutralen oder oxydierenden Bedingungen durchgeführt. Gegebenenfalls kann man als Oxydationsmittel Bariumnitrat oder andere Nitrate verwenden. Die Verwendung von Reduktionsmitteln verschlechtert die dielektrischen Eigenschaften. Als Quelle für BaO dient vorzugsweise BaCO3, was den Vorteil hat, daß das entwickelte CO2 ein Gleichgewicht mit seinen Dissoziationsprodukten CO und O aufrechterhält, wodurch der Zustand der Oxydation der Schmelze stabilisiert wird.The compositions for the capacitors according to the present invention are melted in pans, crucibles or containers for 1 to 8 hours or more at 1400 ° C. or above to produce homogeneous melts, depending on the size of the melt. Since the viscosities of the resulting glasses are generally comparatively low - they are on the order of 1 poise above 1400 ° C - refining the melts is not a problem and the use of refining agents in the baths is therefore unnecessary. Preferably, the Schmel. zen carried out under neutral or oxidizing conditions. If necessary, barium nitrate or other nitrates can be used as the oxidizing agent. The use of reducing agents worsens the dielectric properties. BaCO 3 is preferably used as the source for BaO, which has the advantage that the CO 2 evolved maintains an equilibrium with its dissociation products CO and O, as a result of which the state of oxidation of the melt is stabilized.
Diese Zusammensetzungen kristallisieren spontan, wenn man nicht die richtige Zusammensetzung verwendet und die Gläser von einer Temperatur oberhalb des Verflüssigungszustandes in wenigen Sekunden,These compositions crystallize spontaneously, if you do not use the correct composition and the glasses from a temperature above the liquefaction status in a few seconds,
beispielsweise 2 bis 10 Sekunden, auf Temperaturen von etwa 700° C oder darunter abkühlt. Die Schnelligkeit des Abkühlvorganges begrenzt bis zu einem gewissen Ausmaß die Stärke der Gegenstände, die man · aus dem geschmolzenen Zustand herstellen kann. Esfor example 2 to 10 seconds, to temperatures of about 700 ° C or below. The speed the cooling process limits the strength of the objects to a certain extent can produce from the molten state. It
hat sich herausgestellt, daß die Viskosität im geschmolzenen Zustand so niedrig ist — sie uegt in der Größenordnung von 1 bis 10 Poise, bei Ί350 bis 1400° C —, daß die Gläser sich insbesondere für die Herstellung dünner Glasscheiben durch Auswalzenhas been found that the viscosity in the molten State is so low - it is on the order of 1 to 10 poise, at Ί350 to 1400 ° C - that the glasses are particularly suitable for the production of thin glass panes by rolling
eignen.suitable.
Solche dünnen Glasscheiben sind besonders für dielektrische Schichtkörper von Kondensatoren geeignet, wie man aus Fig. 7 erkennt, wofür die dünnen Glasschichten in an sich bekannter Weise ab-Such thin glass panes are particularly suitable for dielectric laminates of capacitors suitable, as can be seen from Fig. 7, for which the thin glass layers in a known manner
wechselnd mit Metallfolienbändern geschichtet oder vor dem Zusammenschichten mit einem elektrisch leitenden überzug überzogen werden können. Die Glasschichten werden dann durch Erwärmen auf 700° C wieder unter Druck miteinander abgedichtet,alternately layered with metal foil tapes or before layering with an electric one conductive plating can be coated. the Glass layers are then sealed together again under pressure by heating to 700 ° C,
so daß sie die Metallschichten einschließen (vgl. USA.-Patent 2 405 529). Darauf wird das Glas durch die oben beschriebene Wärmebehandlung in den halbkristallinen Zustand übergeführt.so that they enclose the metal layers (see U.S. Patent 2,405,529). Then the glass is through the heat treatment described above is converted into the semicrystalline state.
ίοίο
Nach Tabelle I sind die Grundzusammensetzungen der Beispiele 4 und 9 bis 14 einschließlich einander ähnlich und unterscheiden sich prinzipiell nur in ihren Fluoranteilen, wobei die Zusammensetzung 9 frei von Fluor ist und die Zusammensetzungen 4 und 10 bis 14 verschiedene Metallfluoride enthalten. Man erkennt, daß die Einführung von Fluor in das Glas zu einer wesentlichen Steigung der Werte der Dielektrizitätskonstanten und einem geringen Abfall im Verlust-. faktor führt. Die Änderung der Dielektrizitätskonstanten bei Raumtemperatur ist jedoch bei dem besonders zugegebenen Metallfluorid gering und nicht kritisch. Die Kurven nach Fig. 1 zeigen allgemein den Einfluß der Änderung des TiO2-Gehaltes in Zusammensetzungen mit einem Überschuß an BaO und ebenso den Einfluß des Vorhandenseins oder Fehlens von Fluor auf die Dielektrizitätskonstante gegenüber der Temperatur bei gemäß der Erfindung hergestellten Kondensatordielektriken der oben angegebenen Zusammensetzung. Die Beispiele 2,3 und 11 der Tabelle I enthalten Fluor und 23,0, 28,2 bzw. 32,4 kation. Molprozent von TiO2 und sind durch die Kurven 2, 3 und 11 wiedergegeben, während das Beispiel 9 zwar 31,3 kation. Molprozent TiO2, jedoch kein Fluor enthält und durch die Kurve 9 wiedergegeben ist. Geringe 2S Änderungen bei der Wärmebehandlung und/oder im SiO2-Al2O3-Verhältnis, BaO-TiO2-Verhältnis und des Fluorgehältes haben einen unbedeutenden Einfluß auf die Kurven. Der Curie-Punkt, der sich durch den maximalen Wert von K bei etwa 1200C anzeigt, läßt sich bei jeder Kurve 2, 3 und 11 feststellen und steht in Übereinstimmung mit den bekannten Daten bei BaTiO3 allein. Ein großer Unterschied in der Dielektrizitätskonstanten und im Curie-Punkt ergibt sich bei der Kurve 9 im Vergleich zur Kurve 11 und zeigt an, daß vorhandenes Fluor die Bildung von BaTiO3 während der Wärmebehandlung der Glaszusammensetzungen fördert.According to Table I, the basic compositions of Examples 4 and 9 to 14, inclusive, are similar to one another and differ in principle only in their fluorine contents, composition 9 being free of fluorine and compositions 4 and 10 to 14 containing different metal fluorides. It can be seen that the introduction of fluorine into the glass results in a substantial increase in the values of the dielectric constants and a small decrease in the loss. factor leads. The change in the dielectric constant at room temperature is, however, small and not critical in the case of the particularly added metal fluoride. The curves of FIG. 1 generally show the influence of the change in the TiO 2 content in compositions with an excess of BaO and also the influence of the presence or absence of fluorine on the dielectric constant versus temperature in capacitor dielectrics made according to the invention and having the above composition . Examples 2, 3 and 11 of Table I contain fluorine and 23.0, 28.2 and 32.4 cation, respectively. Mole percent of TiO 2 and are represented by curves 2, 3 and 11, while Example 9 is 31.3 cation. Mol percent TiO 2 but does not contain fluorine and is shown by curve 9. Small 2 S changes during the heat treatment and / or in the SiO 2 -Al 2 O 3 ratio, BaO-TiO 2 ratio and the fluorine content have an insignificant influence on the curves. The Curie point, which is indicated by the maximum value of K at approximately 120 ° C., can be determined for every curve 2, 3 and 11 and is in agreement with the known data for BaTiO 3 alone. A large difference in dielectric constant and Curie point is found in curve 9 compared to curve 11 and indicates that fluorine present promotes the formation of BaTiO 3 during the heat treatment of the glass compositions.
Die Zusammensetzungen 15 und 16 nach Tabelle I enthalten einen.Überschuß an TiO2.The compositions 15 and 16 according to Table I contain an excess of TiO 2 .
In der Zusammensetzung 14 wurde Fluor als BaF2 eingeführt, von dem das Barium als BaO in der Gesamtmenge BaO eingeschlossen ist.In the composition 14 fluorine was introduced as BaF 2 , of which the barium is included as BaO in the total amount of BaO.
In F i g. 2 sind Kurven wiedergegeben, die den Einfluß auf die Dielektrizitätskonstante gegenüber der Temperatur zeigen, der durch die Zugabe stabiler OxydezueinemhalbkristallinenKörpernach Beispiel 10 der Tabelle I hervorgerufen ist. Ähnliche Wirkungen werden durch die gleichen Oxyde hervorgerufen, wenn man sie zu anderen Zusammensetzungen nach Tabelle I hinzugibt. Die Menge solcher Oxyde sollte etwa 10 kation. Molprozent und vorzugsweise etwa 4 kation. Molprozent entweder allein oder zusammen nicht überschreiten. So zeigt insbesondere die Kurve A die Zusammensetzung nach Beispiel 10 alleinyund die Kurven B, C, D, E und F zeigen im Vergleich dazu die gleiche Zusammensetzung unter Einbau stabiler Oxyde, wie sie.beispielsweise in Tabelle II wiedergegeben sind. Dort bedeuten die einzelnen Spalten:In Fig. 2 are plotted curves showing the influence on the dielectric constant versus temperature caused by the addition of stable oxides to a semicrystalline body according to Example 10 of Table I. Similar effects are produced by the same oxides when added to other Table I compositions. The amount of such oxides should be about 10 cation. Mole percent and preferably about 4 cation. Do not exceed mole percent either alone or together. In particular, curve A shows the composition according to Example 10 alone, and curves B, C, D, E and F in comparison show the same composition with the incorporation of stable oxides, as are shown, for example, in Table II. There the individual columns mean:
1. die Menge der zu der Zusammensetzung 10 hinzugegebenen entsprechenden glasbildenden Oxyde in kation. Molprozent;1. the amount of the composition 10 added corresponding glass-forming oxides in cation. Mole percent;
2. die entsprechende Dielektrizitätskonstante K bei 25°C; .2. the corresponding dielectric constant K at 25 ° C; .
3. den Verlustfaktor L. T. bei 25° C;3. the loss factor LT at 25 ° C .;
4. den Curie-Punkt (C. E) in 0C;4. the Curie point (C. E) at 0 C;
5. die Dielektrizitätskonstente K beim Curie<Punkt;'5. the dielectric constant K at the Curie point; '
6. die Art der Kurve A, B, C, D, E odtr F entsprechend dem. Curie-Punkt;6. the type of curve A, B, C, D, E or F according to the. Curie point;
7. die maximale Menge des zugegebenen Oxyds, wenn mit »best« bezeichnet. Die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor sind bei einer Frequenz von 1 MHz gemessen.7. the maximum amount of oxide added, if marked with "best". The dielectric constant and the loss factor are measured at a frequency of 1 MHz.
25° C K
25 ° C
250° C LT,%
250 ° C
des zugegebenen
OxydsCation, mole percent
of the admitted
Oxyds
1100
1200
1700 .
850
1150
2350
1500
1230
1520
1100
1140
1420
1340
1400
1250
1700
900
7801100
1100
1200
1700.
850
1150
2350
1500
1230
1520
1100
1140
1420
1340
1400
1250
1700
900
780
2,5
3,0
3,0
3,1
2,5
0,5
3,1
3,0
2,7
2,9
3,3
3,3 4
3,0 ·
2,8
2,9
2,8
2,7
. 3,42.5
2.5
3.0
3.0
3.1
2.5
0.5
3.1
3.0
2.7
2.9
3.3
3.3 4
3.0 ·
2.8
2.9
2.8
2.7
. 3.4
120
110
. 50
120
100
15
105
120
80
120 .
120
105
90
80
110
50
90
150120
120
110
. 50
120
100
15th
105
120
80
120.
120
105
90
80
110
50
90
150
1400
1900
1900
1770
2050
2450
2280
2250
1720
1850
2.100
2300
1900
1600
2200
2100
1350
15001400
1400
1900
1900
1770
2050
2450
2280
2250
1720
1850
2,100
2300
1900
1600
2200
2100
1350
1500
A
A
C
A
A—B
D
A—B
A
B
A
A
A-B
B
B
·. A
.C '
' B
GA.
A.
A.
C.
A.
AWAY
D.
AWAY
A.
B.
A.
A.
AWAY
B.
B.
·. A.
.C '
'B
G
1 ■
■best
best -best
1 ■
■ best
best -
3,6 LiO0>5
2,2BeO -
1,3 MgO
2,9CaO
1,6SrO ■....
2,7ZnO
1,3 CdO .......
0,8 GaO1 5 , ,
1,2 InO15
0,2 TlO1 5
i,oyo1i5
1,2LaO15
0,9 CeO2
1,3ZrO2
1,0 GeO2
1,3 SnO2
1,4 SbO15
0,8 BiO1 5 1,2 ko 0i5 ..: ...
3.6 LiO 0> 5
2.2BeO -
1.3 MgO
2.9 CaO
1.6SrO ■ ....
2.7ZnO
1.3 CdO .......
0.8 GaO 1 5,
1.2 InO 15
TlO 0.2 1 5
i, oyo 1i5
1,2LaO 15
0.9 CeO 2
1,3ZrO 2
1.0 GeO 2
1.3 SnO 2
1.4 SbO 15
0.8 BiO 1 5
Fortsetzung Tabelle IITable II continued
des zugegebenen
OxydsCation, mole percent
of the admitted
Oxyds
25° C K
25 ° C
250° CL.7.,%
250 ° C
1,2 NbO2>5 .....
0,4TaO2,5 ....,
0,8CrOli5
0,4 MoO3
0,2WO3 .......
1,0 TeO2
0,4UO2 .......
1,0 MnO1 5
0,6 FeO15
0,7CoO .......
1,1NiO........
0,7PbO
0,4CuO 1,8VO 2 , 5
1.2 NbO 2> 5 .....
0.4TaO 2 , 5 ....,
0.8CrO li5
0.4 MoO 3
0.2WO 3 .......
1.0 TeO 2
0.4UO 2 .......
1.0 MnO 1 5
0.6 FeO 15
0.7CoO .......
1.1NOK ........
0.7PbO
0.4CuO
1500
1250
820
1250
1150
950
1050
1050
1500
1600
1200
1100
1300 .800
1500
1250
820
1250
1150
950
1050
1050
1500
1600
1200
1100
1300.
2,1
2,8
2,8
2,8
3,0
4,0
2,5
0,6
3,3
2,2
0,6
3,0
2,52; 9
2.1
2.8
2.8
2.8
3.0
4.0
2.5
0.6
3.3
2.2
0.6
3.0
2.5
80
120
105
120
120 .
120
105
65
80
50
0
120
100120
80
120
105
120
120.
120
105
65
80
50
0
120
100
2100
1860
1900
2000
2100
1350
1600
-1200
2100
1750
1230
1950
23501300
2100
1860
1900
2000
2100
1350
1600
-1200
2100
1750
1230
1950
2350
B
A
• A R
A
A
A
A—B
E
B
C
F
. A
A—BA.
B.
A.
• AR
A.
A.
A.
AWAY
E.
B.
C.
F.
. A.
AWAY
best ·
best
best
best
bestbest
best
best
best
best
best
In einigen Fällen betragen die Änderungen im Curie-Punkt durch die verschieden zugegebenen Oxyde nicht mehr als 20° C, und der Prozentsatz des zugegebenen Oxyds ist nicht kritisch. Einige der zugegebenen Oxyde, wie die Oxyde von Ca, B, Ga, P, As, Tl, Y, Ge, In, Ce, Zr, Sb, Nb, Fe, Cd, La, Sn, Zn, Bi und PB, verbessern die Glasbildnereigenschaften der Zusammensetzungen und senken den Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante der anderen Produkte, und man kann deshalb größere Mengen, d. h. bis zu 10% dieser Oxyde vorteilhaft hinzugeben.In some cases the changes in the Curie point due to the variously added oxides are not more than 20 ° C and the percentage of oxide added is not critical. Some of the added oxides, such as the oxides of Ca, B, Ga, P, As, Tl, Y, Ge, In, Ce, Zr, Sb, Nb, Fe, Cd, La, Sn, Zn, Bi and PB, improve the glass former properties of the compositions and lower the temperature coefficient of dielectric constant of the other products, and one can therefore use larger amounts, i. H. It is advantageous to add up to 10% of these oxides.
Die Beigabe von Oxyden von In, Ce, Zr, Sb, Nb oder Fe senkt den Curie-Punkt auf etwa 8O0C, wie man aus der Kurve B der F i g. 2 erkennt, die charakteristisch für solche Oxyde enthaltende Zusammensetzungen ist.The addition of oxides of In, Ce, Zr, Sb, Nb or Fe lowers the Curie point at about 8O 0 C, as seen from the curve B to F i g. 2 recognizes which is characteristic of compositions containing such oxides.
Eine allgemein zwischen den Kurven A und B liegende, jedoch in F i g. 2 nicht wiedergegebene Kurve erhält man bei Zugabe der Oxyde von Sr, Cd, La, Cr oder Cu.A generally between curves A and B , but shown in FIG. The curve not shown in Figure 2 is obtained by adding the oxides of Sr, Cd, La, Cr or Cu.
Die Kurve C veranschaulicht den Einfluß der Zugabe der Oxyden von Mg, Sn oder Co, welche den Curie- Punkt in die Nachbarschaft von 50° C senkt.The curve C illustrates the influence of the addition of the oxides of Mg, Sn or Co, which the Curie point in the vicinity of 50 ° C.
Wie man aus der Kurve D erkennt, erzeugt die Zugabe von ZnO Curie-Punkt in der Nähe der Raumtemperatur und senkt außerdem den Verlustfaktor wesentlich.As can be seen from curve D , the addition of ZnO produces Curie points near room temperature and also lowers the loss factor significantly.
Einen niedrigen Verlustfaktor erhält man auch durch Zugabe von Oxyden von Mn, wie sich aus Kurve E ergibt, und durch Zugabe eines Oxyds von Ni, wie man aus der Kurve F erkennt.A low loss factor is also obtained by adding oxides of Mn, as can be seen from curve E , and by adding an oxide of Ni, as can be seen from curve F.
Die Zugabe eines Oxydes von Bi, wie in Tabelle II angegeben, steigert den Curie-Punkt, wie man aus der Kurve G erkennt.The addition of an oxide of Bi, as shown in Table II, increases the Curie point, as can be seen from curve G.
Die Temperaturen, auf die die Kondensatoren erwärmt werden müssen, um ihr Dielektrikum in ferroelektrische halbkristalline keramische Körper umzuwandeln, ändern sich mit der Zusammensetzung und sind allgemein niedriger für das glasbildende Oxyd B2O3 oder Mischungen von B2O3 und SiO2 oder P2O5 enthaltende Zusammensetzungen. Die richtige Wärmebehandlungstemperatur ändert sich auch mit dem gewünschten Anteil der ferroelektrischen kristallinen Phase und ist höher, je höher die gewünschte Menge der ferroelektrischen Phase oder Phasen*" ist. Es ist deshalb unmöglich, eine Temperatur oder einen Temperaturbereich anzugeben, der für alle Zusammensetzungen geeignet oder wirksam ist, jedoch lassen sich mit Hilfe des bekannten »Differential-Thermal-Analyse- oder DTA-Verfahrens« nach »Differential ■>■ Thermal Analysis: Theory and Practice« von W.J./ Smothers, 1958, die annähernden Anlaß- und Erweichungspunkte und die Wärmebehandlungstemperatur für jedes besondere für den Kondensator verwendete Glas leicht bestimmen. Nach diesem Ver- ' fahren wird die Temperatur einer kleinen, eine gepulverte Probe des in der Wärme zu behandelnden Glases enthaltende Kapsel langsam gesteigert, und es werden mittels eines in das gepulverte Glas eingesetzten Thermoelements, dessen EMK derjenigen eines ähnlichen, in ein inertes, in gleicher Weise erhitztes Pulver, beispielsweise Al2O3 eingesetzten Thermoelementes entgegenwirkt, zusammen mit^auto- ■ matischer Temperaturaufzeichnung alle endothermen und exothermen Reaktionen innerhalb des^31ases bei seiner Temperatur auf einem kontinuierlichen Streifen aufgezeichnet, dessen Abszisse die zunehmende Temperatur angibt. Solange im Glas keine Reaktion auftritt, ist das Differential Null, und die Kurve ist eine im wesentlichen gerade horizontale Linie. Ist der Anlaßpunkt des Glases erreicht, dann wird der Beginn eines Abfalls in der Kurve sichtbar, welcher den Beginn einer Wärmeabsorption anzeigt. Die Temperatur an der tiefsten Stelle dieses Abfalls ist dann der Erweichungspunkt des Glases. Dieser Abfall tritt im Bereich von etwa 500 bis etwa 7000C für die vorliegenden Gläser auf. Wird die Temperatur weiter gesteigert, und geht die endotherme Reaktion zuende, dann kehrt die Kurve in die Horizontale zurück, und bei· 50 bis 150°C oberhalb dieses Anlaßpunktes tritt eine exotherme Reaktion auf, welche eine· plötzliche ausgeprägte Spitze in der Kurve hervorruft, welcheThe temperatures to which the capacitors must be heated in order to convert their dielectric to ferroelectric semicrystalline ceramic bodies vary with composition and are generally lower for the glass-forming oxide B 2 O 3 or mixtures of B 2 O 3 and SiO 2 or P. Compositions containing 2 O 5. The correct heat treatment temperature also changes with the desired proportion of ferroelectric crystalline phase and is higher the higher the desired amount of ferroelectric phase or phases. It is therefore impossible to specify a temperature or a temperature range which is suitable or suitable for all compositions is effective, but with the help of the well-known "differential thermal analysis or DTA method" according to "Differential ■> ■ Thermal Analysis: Theory and Practice" by WJ / Smothers, 1958, the approximate tempering and softening points and the Easily determine the heat treatment temperature for each particular glass used for the condenser. According to this procedure, the temperature of a small capsule containing a powdered sample of the glass to be heat treated is slowly increased and, by means of a thermocouple inserted into the powdered glass , whose emf is that of a similar, in an inert, in the same Wise heated powder, for example Al 2 O 3 thermocouple used, counteracts, together with ^ automatic temperature recording, all endothermic and exothermic reactions within the ^ 31ases at its temperature recorded on a continuous strip, the abscissa of which indicates the increasing temperature. As long as there is no reaction in the glass, the differential is zero and the curve is an essentially straight horizontal line. Once the tempering point of the glass has been reached, the beginning of a drop becomes visible in the curve, which indicates the beginning of heat absorption. The temperature at the lowest point of this drop is then the softening point of the glass. This drop occurs in the range from about 500 to about 700 ° C. for the glasses in question. If the temperature is increased further and the endothermic reaction comes to an end, the curve returns to the horizontal, and at 50 to 150 ° C above this starting point an exothermic reaction occurs, which causes a sudden pronounced peak in the curve, Which
nach Röntgen-Beugungs-Meßwerten die Kristallisation der ferroelektrischen Verbindung als Primärkristallinen-Phase anzeigt. Die Abtrennung der anderen kristallisierbaren Phasen wird, falls solche vorhanden sind, durch entsprechende, auf die erste Spitze folgende Spitzen angezeigt. Einige 100° oberhalb der Tempe-' ratur der ersten Spitze tritt ein Abfall in der Kurve auf, welche das erste Schmelzen der kristallinen Phase wiedergibt. Der zweckmäßige Bereich der Wärmebehandlungstemperaturen für die erfindungsgemäßen Kondensatoren liegt im allgemeinen zwischen der Temperatur der ersten DTA-Spitze oder Kristallisation der. ferroelektrischen kristallinen Phase und einer Temperatur von etwa 50° C unterhalb der tiefsten Stelle des ersten Schmelzabfalls. Die für die Wärmebehandlung erforderliche Zeit schwankt zwischen einer Stunde bei · der Spitzentemperatur der Kristallisation der ferroelektrischen Phase bis wenigstens 1J2 Minute bei etwa 5O0C unterhalb der tiefsten Stelle des ersten Schmelzabfalls der DTA-Kurve des entsprechenden Glases.shows the crystallization of the ferroelectric compound as the primary crystalline phase according to X-ray diffraction measurements. The separation of the other crystallizable phases, if any, is indicated by corresponding peaks following the first peak. A drop of a few 100 ° above the temperature of the first peak occurs in the curve which represents the first melting of the crystalline phase. The useful range of heat treatment temperatures for the capacitors according to the invention is generally between the temperature of the first DTA tip or crystallization of the. ferroelectric crystalline phase and a temperature of about 50 ° C below the lowest point of the first melt drop. The time required for the heat treatment varies between one hour at · of the peak temperature of the crystallization of the ferroelectric phase until at least 1 J 2 minutes at about 5O 0 C below the lowest point of the first melting drop of the DTA curve of the corresponding lens.
F i g. 3 zeigt die DTA-Kurve für die Zusammensetzung 4 nach Tabelle I, die typisch für Zusammensetzungen mit BaO, TiO2, SiO2 und Al2O3 ist. Aus der Kurve erkennt man, daß das Glas der Zusammensetzung 4 einen Anlaßpunkt von etwa 670° C hat, die ferroelektrische kristalline Phase bei etwa 820° C kristallisiert und der erste Schmelzpunkt bei etwa 1280° C liegt. Es hat sich herausgestellt, daß der breite ^ Gesamtbereich von zur Wärmebehandlung solcher'' Gläser geeigneten Temperaturen und für jedes der allgemein hier beschriebenen Gläser sich von der Spitzentemperatur der, Kristallisation der ferroelektrischen Kristallphase zu einer Temperatur von etwa 50° C unterhalb des ersten Schmelzpunktabfalls der DTA-Kurve des entsprechenden Glases erstreckt und daß die optimale Temperatur in einem solchen Bereich zwischen der Spitze der ferroelektrischen Kristallphase und ■ dem Scheitel des ersten Schmelzpunktabfalls dieser Kurve liegt. Für die Zusammensetzung 4 erkennt man, daß sich dieser Temperaturbereich von etwa 820 bis etwa 1230° C erstreckt und daß das Optimum zur Erzielung eines hohen K-Wertes bei etwa 1050° G liegt. Zur Erläuterung sind die annähernden Werte für den Anlaßpunkt, die Spitzentemperatur der ferroelektrischen kristallinen Phase und der erste Schmelzabfall jeder der Zusammensetzungen 1 bis 14 nach Tabelle I in der Tabelle III in 0 C wiedergegeben. ;F i g. 3 shows the DTA curve for composition 4 according to Table I, which is typical for compositions with BaO, TiO 2 , SiO 2 and Al 2 O 3 . It can be seen from the curve that the glass of composition 4 has a tempering point of about 670.degree. C., the ferroelectric crystalline phase crystallizes at about 820.degree. C. and the first melting point is about 1280.degree. It has been found that the wide ^ total range of the heat treatment of such '' Glasses suitable temperatures and for each of the generally described herein glasses to that of the peak temperature of, crystallization of the ferroelectric crystal phase to a temperature of about 50 ° C below the first melting point drop DTA curve of the corresponding glass extends and that the optimum temperature lies in such a range between the tip of the ferroelectric crystal phase and the apex of the first melting point drop of this curve. For composition 4 it can be seen that this temperature range extends from about 820 to about 1230.degree. C. and that the optimum for achieving a high K value is about 1050.degree. By way of illustration, the approximate values for the tempering point, the peak temperature of the ferroelectric crystalline phase and the first melting point of each of the compositions 1 to 14 according to Table I are shown in Table III in 0 C. ;
Obwohl Zusammensetzungen mit wenigstens einer ferroelektrischen Zusammensetzung, vorzugsweise BaTiO3, zusammen mit wenigstens einem glasbildenden Oxyd, vorzugsweise SiO2, und einem zusätzlichen Oxyd, vorzugsweise Al2O3, in den bevorzugten Zusammensetzungen nach Tabelle I wiedergegeben sind, hat sich herausgestellt, daß Zusammensetzungen mit wenigstens einer ferroelektrischen Verbindung und wenigstens einem glasbildenden Oxyd zu guten Gläsern führen, die man zur Erzielung der erwünschten erfindungsgemäßen Kondensatoren in der Wärme behandeln kann. Solche Zusammensetzungen sind beispielsweise in Tabelle IV in kation. Molprozent zusammen mit den entsprechenden Werten für K und L. T. bei den sich daraus ergebenden halbkristallinen Produkten angegeben.Although compositions with at least one ferroelectric composition, preferably BaTiO 3 , together with at least one glass-forming oxide, preferably SiO 2 , and an additional oxide, preferably Al 2 O 3 , are shown in the preferred compositions according to Table I, it has been found that compositions with at least one ferroelectric compound and at least one glass-forming oxide lead to good glasses which can be treated with heat to achieve the desired capacitors according to the invention. Such compositions are in cation, for example, in Table IV. Mol percent given together with the corresponding values for K and LT for the resulting semi-crystalline products.
In den Zusammensetzungen 17, 18 und 20 der Tabelle IV betragen die entsprechenden Mengen· an TiO2 70,8, 30,7 und 19,5% im Überschuß über die 1:1 stöchiometrische entsprechende Menge von BaO, was sich auf die Schmelzbarkeit und günstigen glasbildenden Eigenschaften dieser Gläser auswirkt. Die Zusammensetzungen 19 bis 24 sind Beispiele für Gläser, die einzeln zwei der drei glasbildenden Oxyde SiO2, B2O3 und P2O5 enthalten. Die sich ergebende gesteigerte Menge des glasbildenden Oxydes tragen zu ihren glasbildenden Eigenschaften bei. Die Zusammensetzungen 19,22,23 und 24 enthalten stöchiometrische Mengen von BaO und TiO2.In compositions 17, 18 and 20 of Table IV, the corresponding amounts of TiO 2 are 70.8, 30.7 and 19.5% in excess of the 1: 1 stoichiometric corresponding amount of BaO, which affects the meltability and beneficial glass-forming properties of these glasses. The compositions 19 to 24 are examples of glasses which individually contain two of the three glass-forming oxides SiO 2 , B 2 O 3 and P 2 O 5 . The resulting increased amount of glass-forming oxide contributes to its glass-forming properties. The compositions 19, 22, 23 and 24 contain stoichiometric amounts of BaO and TiO 2 .
Die Zusammensetzungen der Tabelle II enthalten einzeln die Oxydkomponenten von BaTiO3 zusammen mit SiO25Al2O3 und ein aus den stabilen Oxyden einer Vielzahl von Elementen ausgewähltes Oxyd. Diese Glaszusammensetzungen führen zu halbkristallinen Körpern mit zweckmäßigen und wünschenswerten dielektrischen Eigenschaften. Es wurde ferner festgestellt, daß man eine große Anzahl von. Glaszusammensetzungen, die bei Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung brauchbare halbkristalline Produkte liefern, dadurch herstellen kann, daß man solche stabile Oxyde in aus Oxydkomponenten BaTiO3 und ein glasbildendes Oxyd enthaltende Zusammensetzungen einführt. Beispiele solcher Zusammensetzungen, die aus Oxydkomponenten von BaTiO3 und einem der glasbjldenden Oxyde SiO2, B2O3 und P2O5 und dem zusätzlichen stabilen Oxyd bestehen,., sind in Tabelle V in kation. Molprozent zusammen mit ihren entsprechenden Werten von K, L. T. aufgeführt. Die Zusammensetzungen nach Tabelle V führen alle zu Gläsern, wenn ihre Schmelzen rasch gekühlt wejden. Einige dieser Zusammensetzungen enthalten,^öchiometrische Mengen von BaO und TiO2, undüie kation. Molprozentsätze sind in solchen Fällen immer gleich. Liegen entweder BaO oder TiO2 im Überschuß über die stöchiometrische Menge vor, wie es sich aus den entsprechenden angegebenen Prozentsätzen ergibt, dann läßt sich der Prozentsatz eines solchen Überschusses gegebenenfalls nach üblichen Verfahren er- \ rechnen. Zusammensetzungen, in denen 3as glas- f bildende Oxyd B2O3 ist, werden bei etwa 850° C 2 Stunden lang in der Wärme behandelt. Alle anderen Zusammensetzungen nach Tabelle V werden für 2,5 Stunden bei etwa 1000°C behandelt.The compositions of Table II individually contain the oxide components of BaTiO 3 together with SiO 25 Al 2 O 3 and an oxide selected from the stable oxides of a large number of elements. These glass compositions result in semi-crystalline bodies with useful and desirable dielectric properties. It was also found that a large number of. Glass compositions which, when heat treated in accordance with the present invention, provide useful semicrystalline products, can be prepared by incorporating such stable oxides into compositions comprising oxide components BaTiO 3 and a glass-forming oxide. Examples of such compositions, which consist of oxide components of BaTiO 3 and one of the glass-forming oxides SiO 2 , B 2 O 3 and P 2 O 5 and the additional stable oxide, are shown in Table V in cation. Mole percent listed along with their corresponding values of K, LT . The compositions according to Table V all lead to glasses if their melts are cooled rapidly. Some of these compositions contain oechiometric amounts of BaO and TiO 2 , undüie cation. Mol percentages are always the same in such cases. Are either BaO or TiO 2 present in excess over the stoichiometric amount, as it results from the respective specified percentages, then the percentage of such excess can optionally by customary methods ER \ expected. Compositions in which 3as f glass- forming oxide B 2 O 3, is treated for 2 hours under heat at about 850 ° C. All other compositions according to Table V are treated for 2.5 hours at about 1000 ° C.
1515th
1616
1717th
1818th
2020th
2424
BaO
TiO2 BaO
TiO 2
SiO2 SiO 2
B0lt5 B0 according to 5
Überschuß BaO,% . Überschuß TiO2, % K.... Excess BaO,%. Excess TiO 2 ,% K ....
31,5
56,3
12,231.5
56.3
12.2
70,8
4270.8
42
34,2
44,734.2
44.7
21,121.1
30,7
47
0,830.7
47
0.8
32,2 32,2 11,9 23,732.2 32.2 11.9 23.7
40 8,040 8.0
34,234.2
40,940.9
. 3,8. 3.8
21,121.1
19,5 68 1,019.5 68 1.0
40,0
33,3
13,440.0
33.3
13.4
13,3
20,113.3
20.1
36,536.5
36,536.5
8,38.3
18,718.7
31,6 31,631.6 31.6
18,4 18,418.4 18.4
115115
(Fortsetzung)(Continuation)
(Fortsetzung)(Continuation)
33,8 33,833.8 33.8
15,2 17,215.2 17.2
63 5,063 5.0
TiO2
SiO2
BOlj5.
PO2,5
CuO
BeO
MgO
CaO
K BaO
TiO 2
SiO 2
BO lj5 .
PO 2 , 5
CuO
BeO
MgO
CaO
K
38,1
18,0
12,1
34
<1. 31.8
38.1
18.0
12.1
34
<1
34,0
27,8
9,8
68
5,028.4
34.0
27.8
9.8
68
5.0
30,4
31,3
' 7,9
37
<130.4
30.4
31.3
'7.9
37
<1
42,2
12,7
9,9
54
<135.2
42.2
12.7
9.9
54
<1
31,8
29,1
7,3
46
<131.8
31.8
29.1
7.3
46
<1
. 42,2
12,7
9,9
75
<135.2
. 42.2
12.7
9.9
75
<1
31,8
29,1
7,3
40
<131.8
31.8
29.1
7.3
40
<1
28,1
29,2
Λ
420 '
2,533.6
28.1
29.2
Λ
420 '
2.5
TiO2
SiO2
BO1-5
PO2,5
CaO
ZnO
SrO
CdO '.:.'
K Γ... BaO
TiO 2
SiO 2
BO 1-5
PO 2 , 5
CaO
ZnO
SrO
CdO '.:.'
K Γ ...
26,6
31,7 '
8,832.9
26.6
31.7 '
8.8
28,1
29,2
14,6
63
1,528.1
28.1
29.2
14.6
63
1.5
28,1
29,2
9,1
79
133.6
28.1
29.2
9.1
79
1
31,8
29,1
7,3
540
131.8
31.8
29.1
7.3
540
1
30,4
31,3
7,9
32
130.4
30.4
31.3
7.9
32
1
32,7 .
17,3
. 17,3
250
132.7
32.7.
17.3
. 17.3
250
1
29,3
27,6
13,8
200
2,529.3
29.3
27.6
13.8
200
2.5
28,1
29^2
14,6
55/
,1,328.1 '
28.1
29 ^ 2
14.6
55 /
, 1.3
TiO2
SiO2
ZrO2
ThO2
GeO2
K BaO
TiO 2
SiO 2
ZrO 2
ThO 2
GeO 2
K
31,2
16,2
26,6
3226.0
31.2
16.2
26.6
32
33,3
13,4
13,3
560
1,740.0
33.3
13.4
13.3
560
1.7
31,6
18,4
18,4
126
1,731.6
31.6
18.4
18.4
126
1.7
37,8
12,2
18,5
63
ι,ί 31.5
37.8
12.2
18.5
63
ι, ί
40,8
21,1
3,9
. 74
• 0,934.2
40.8
21.1
3.9
. 74
• 0.9
38,9
20,3
8,3
106
2,532.5
38.9
20.3
8.3
106
2.5
37,8
12,2
18,5
4031.5
37.8
12.2
18.5
40
34,8
20,3
- ιο,ι
66
0,9
209 632/5034.8
34.8
20.3
- ιο, ι
66
0.9
209 632/50
1717th
Tabelle V (Fortsetzung)Table V (continued)
TiO2
SiO2
BO1>5
PO2>5
SnO2
PbO ..........
VO2,5
NbO2,5
TaO2>5 :
K BaO
TiO 2
SiO 2
BO 1> 5
PO 2> 5
SnO 2
PbO ..........
VO 2 , 5
NbO 2 , 5
TaO 2> 5 :
K
34,8
20,3
10,1
210
3,634.8
34.8
20.3
10.1
210
3.6
40,8
21,1
3,9
230
<134.2
40.8
21.1
3.9
230
<1
33,2
12,6
13,2
2140.0
33.2
12.6
13.2
21
31,6
18,4
18,4
43
<131.6
31.6
18.4
18.4
43
<1
32,1
11,9
23,9
80
<132.1
32.1
11.9
23.9
80
<1
33,8
17,2
1.5,2
52
<133.8
33.8
17.2
1.5.2
52
<1
39,4
20,3
7,4
43
<132.9
39.4
20.3
7.4
43
<1
33,1
15,1
24,2
'130
3,027.6
33.1
15.1
24.2
'130
3.0
(Fortsetzung)(Continuation)
5757
5858
6161
6363
BaO . TiO2 . SiO2 . BOli5. PO2,5 SbOli5 BiO1 >5 MoO3 . WO3 . TeO2 . Κ.... LT, %BaO. TiO 2 . SiO 2 . BO li5 . PO 2 , 5 SbO li5 BiO 1> 5 MoO 3 . WHERE 3 . TeO 2 . Κ .... LT, %
31,6 31,631.6 31.6
18,4 18,418.4 18.4
24,5 24,524.5 24.5
25,5 25,525.5 25.5
105105
55 1,555 1.5
250250
34,2
40,834.2
40.8
21,121.1
3,93.9
31,5
37,8
12,231.5
37.8
12.2
34,8
34,834.8
34.8
20,320.3
18,5
6818.5
68
. 10,1
250. 10.1
250
32,627.0
32.6
36,6
21,436.6
36.6
21.4
31,5 37,8 12,231.5 37.8 12.2
18,5 2618.5 26
TiO2
SiO2
BOli5..
PO2,5
UO2
MnO1 5
FeOliS
NiO
CoO
K BaO
TiO 2
SiO 2
BO li5 ..
PO 2 , 5
UO 2
MnO 1 5
FeO liS
NOK
CoO
K
39,9
13,4
6,8
6839.9
39.9
13.4
6.8
68
36,1
18,7
15,3
2830.9
36.1
18.7
15.3
28
28,1
29,1
14,7
3328.1
28.1
29.1
14.7
33
38,4
11,6
18,0
6532.0
38.4
11.6
18.0
65
34,7
20,4
10,2
4234.7
34.7
20.4
10.2
42
42,2
12,7
9,9
28.35.2
42.2
12.7
9.9
28
30,4
31,3
7,9
2330.4
30.4
31.3
7.9
23
42,2
'12,7
~f
9,9
52■ 35.2
42.2
'12, 7
~ f
9.9
52
525.4
52
10,3
33• 30.1
10.3
33
F i g. 4 zeigt die DTA-Kurve für die Zusammensetzung 33 der Tabelle V, welche die Oxydkomponenten von BaTiO3 und das glasbildende Oxyd B2O3 enthält. Die Temperaturen der entsprechenden Abfälle und Spitzen dieser Kurve sind allgemein niedriger als die entsprechenden Temperaturen der DTA-Kurve nach F i g. 3. Aus dieser Kurve erkennt man, daß die Glaszusammensetzung 33 annähernd einen Anlaßpunkt von etwa 5300C aufweist, die ferroelektrische kristalline Phase sich bei etwa 6600C bildet und ein erster Schmelzpunktabfall bei etwa 970° C vorhanden ist. Der Gesamtbereich der Temperaturen, der sich für die Wärmebehandlung dieses Glases eignet, liegt zwischen 660 und 920° C mit einem Optimum bei etwa 7900C.F i g. 4 shows the DTA curve for composition 33 of Table V, which contains the oxide components of BaTiO 3 and the glass-forming oxide B 2 O 3 . The temperatures of the corresponding drops and peaks of this curve are generally lower than the corresponding temperatures of the DTA curve of FIG. 3. From this curve it is seen that the glass composition has approximately an occasion point of about 530 0 C 33, the ferroelectric crystalline phase is formed at about 660 0 C and a first melting point drop at about 970 ° C is present. The total range of temperatures suitable for heat treating this glass is 660 to 920 ° C with an optimum at about 790 0 C.
Die Zusammensetzungen nach Tabelle VI sind in kation. Molprozent angegeben und enthalten die Oxydkomponenten einer Vielzahl von ferroelektrischen Verbindungen einschließlich einiger oder mehrerer des Titanate von Barium oder Kadmium, des Niobats von Natrium oder Kalium oder StrontiumThe compositions according to Table VI are in cation. Mole percent indicated and contain the Oxide components of a variety of ferroelectric compounds including some or more of the titanate of barium or cadmium, of the niobate of sodium or potassium or strontium
oder Kadmium oder Barium oder Blei, des Zirkonats von Kadmium oder Barium oder Blei, des Tantalats von Natrium oder Kadmium, des Ferrats von Blei oder Lanthanum des Germanats von Eisen oder desor cadmium or barium or lead, the zirconate of cadmium or barium or lead, the tantalate of sodium or cadmium, of ferrate of lead or lanthanum, of germanate of iron or des
5 Oxyds von Wolfram, nämlich WO3. Jedes Glas nach Tabelle VI enthält nach der Wärmebehandlung eine oder mehrere solcher hohe Dielektrizitätskonstante zeigender Kristallphasen (Hi Perm). Die wahrscheinlichsten Phasen sind für die entsprechenden Zusammen-Setzungen angegeben. Es ist jedoch selbstverständlich, daß, obwohl möglicherweise für das halbkristalline Produkt jeder Zusammensetzung alle hohe Dielektrizitätskonstante zeigenden kristallinen Phasen oder feste Lösungen angegeben sind, nicht versucht wurde, alle5 oxides of tungsten, namely WO 3 . After the heat treatment, each glass according to Table VI contains one or more such crystal phases (Hi Perm) showing a high dielectric constant. The most likely phases are given for the corresponding compositions. It will be understood, however, that while all high dielectric constant crystalline phases or solid solutions may be indicated for the semicrystalline product of each composition, no attempt has been made to all
hier zu identifizieren, andererseits zeigen die hohen Dielektrizitätskonstanten die Anwesenheit einer oder mehrerer in der Tabelle angegebener ferroelektrischer Phasen. Die Substanzen zeigen im fertigen halbkristallinen Zustand im allgemeinen Hystereseeffekte, die charakteristisch für ferroelektrische Substanzen ■ sind.identify here, on the other hand, show the high Dielectric constants the presence of one or more ferroelectric values given in the table Phases. In the finished semi-crystalline state, the substances generally show hysteresis effects, which are characteristic of ferroelectric substances.
28,3
7,1
21,9
100042.7
28.3
7.1
21.9
1000
29,7
7,445.0
29.7
7.4
27,0
6,8
7,3
18,6
1000• 40.3
27.0
6.8
7.3
18.6
1000
27,6
6,9
6,6
17,6
92541.3
27.6
6.9
6.6
17.6
925
14,9-45.8
14.9-
100017.9
1000
NaNbO3
Cd0 5Nb03
CdNbO3 5 2.4
NaNbO 3
Cd 0 5 Nb0 3
CdNbO 3 5
NaNbO3
Cd0 5Nb03
Ba05NbO3
CdNbO3 5
BaNbO3'5 .1.6
NaNbO 3
Cd 0 5 Nb0 3
Ba 05 NbO 3
CdNbO 3 5
BaNbO 3 ' 5
NaNbO3
Cd0 5NbO3
CdTiO3
CdNbO3 s1.5
NaNbO 3
Cd 0 5 NbO 3
CdTiO 3
CdNbO 3 s
NaNbO3
Cd0 5NbO3
CdNbO3 5 2.1
NaNbO 3
Cd 0 5NbO 3
CdNbO 3 5
18,4 ,
925. . 13.7
18.4,
925
NaNbO3
KNbO3
Cd0 5Nb03
CdNbO3 5 2.6.
NaNbO 3
KNbO 3
Cd 0 5 Nb0 3
CdNbO 3 5
Kristall
phasenHi Perm-
crystal
phases
(Fortsetzung)(Continuation)
8181 8282
8484
NbO2,5 ...NbO 2 , 5 ...
NaO0,'5 · ·.NaO 0 , ' 5 · ·.
CdO CdO
TaO2,5 ...TaO 2 , 5 ...
ZrO2 ZrO 2
WO3 WHERE 3
SiO2 SiO 2
BO1>5 BO 1> 5
PO2,5 ...PO 2 , 5 ...
0C 0 C
KK
Hi Perm-Kristall
phasenHi Perm crystal
phases
42,642.6
28,228.2
7,07.0
3,53.5
18,718.7
1000
11381000
1138
2,2:2.2:
NaNbO3
NaTaO3
Cd05TaO3 NaNbO 3
NaTaO 3
Cd 05 TaO 3
43,543.5
26,626.6
7,17.1
4,5 18,34.5 18.3
1000 5201000 520
1,51.5
NaNbO3 Cd0 5NbO3 CdZrO3 40,5NaNbO 3 Cd 0 5 NbO 3 CdZrO 3 40.5
29,629.6
9,89.8
2,0.
-18,12.0.
-18.1
850
645850
645
2,32.3
NaNbO3
Cd0 5NbO3
WO3 NaNbO 3
Cd 0 5NbO 3
WHERE 3
Cd0 5NbO3 Cd 0 5 NbO 3
WO,WHERE,
Tabelle VI (Fortsetzung)Table VI (continued)
2222nd
8686
8888
8989
NbO2i5 . .
CdONbO 2i5 . .
CdO
ZrO3 ...·.
NaO0,5 ..
BaO ....
PbOZrO 3 ... ·.
NaO 0, 5 ..
BaO ....
PbO
SrO .....
FeOli5
AlO1J ...SrO .....
FeO li5
AlO 1 J ...
BO1>5 BO 1> 5
SiO2 SiO 2
kk
Hi Perm-Kristall
phasenHi Perm crystal
phases
10,5 30,010.5 30.0
10,3 23,810.3 23.8
5,25.2
20,220.2
1,1 925
1611.1 925
161
1,01.0
BaZrO3
PbZrO3 CdZrO3 BaZrO 3
PbZrO 3 CdZrO 3
34,034.0
11,1 12,5 10,511.1 12.5 10.5
16,216.2
15,7 2,0 1000 14815.7 2.0 1000 148
0,10.1
Ba0 5NbO3 Sr0 5NbO3 Pb0 5NbO3 BaNbO3 j SrNbO3S PbNbO3iS 45,1Ba 0 5 NbO 3 Sr 0 5 NbO 3 Pb 0 5 NbO 3 BaNbO 3 j SrNbO 3 S PbNbO 3iS 45.1
22,6 - 11,322.6-11.3
21,021.0
1075 214 1,41075 214 1.4
NaNbO3 Pbo,5Nb03 PbNbONaNbO 3 Pbo, 5 Nb0 3 PbNbO
'3,5'3.5
39,639.6
10,410.4
10,210.2
8,88.8
2,3 11,6 17,12.3 11.6 17.1
1000 12001000 1200
3,73.7
Ba0 sNbO3 Sr0' 5NbO3 Pb05NbO3 BaNbO3 j SrNbO3 j PbNbO3>5 Ba 0 s NbO 3 Sr 0 ' 5 NbO 3 Pb 05 NbO 3 BaNbO 3 j SrNbO 3 j PbNbO 3> 5
(Fortsetzung)(Continuation)
18,318.3
36,2 18,336.2 18.3
27,2.27.2.
850 182850 182
3,03.0
Pb0 5NbO3 Pb2NbFeO6 Pb2Nb2O7 PbNb0j5FeO3 Pb 0 5NbO 3 Pb 2 NbFeO 6 Pb 2 Nb 2 O 7 PbNb 0j5 FeO 3
9090
9292
NbO2i5 NbO 2i5
NaO0,s NaO 0 , s
BaO BaO
FeO11S. FeO 11 S.
AlOli5 AlO li5
BOli5 BO li5
SiO2 SiO 2
TiO2 TiO 2
LaO15 LaO 15
GeO2 GeO 2
0C 0 C
KK
Hi Perm-KristallphasenHi Perm crystal phases
17,4 17,4 25,817.4 17.4 25.8
4,04.0
9,69.6
25,825.8
1000 4011000 401
1,41.4
NaNbO3 BaTiO3 Ba0 5Nb03 BaNbO3 16,4 16,2 24,6NaNbO 3 BaTiO 3 Ba 0 5 Nb0 3 BaNbO 3 16.4 16.2 24.6
3,6 5,4 9,3 24,53.6 5.4 9.3 24.5
850 165 0,8850 165 0.8
NaNbO3 BaTiO3 Ba0 5NbO3 BaNbO3 sNaNbO 3 BaTiO 3 Ba 0 5 NbO 3 BaNbO 3 s
29,329.3
25,9 15,025.9 15.0
29,829.8
900900
14681468
3030th
LaFeO3 LaFeO 3
33,6.33.6.
13,8 13,813.8 13.8
34,1 4,7 850 11,500 4534.1 4.7 850 11.500 45
LaFeO3 FeGeO6 LaFeO 3 FeGeO 6
Fig. 5 zeigt die DTA-Kurve für die Zusammensetzung 76 der Tabelle VI, welche die Oxydkomponenten von NaNbO3 und Cd0 i5NbO3 und das glasbildende Oxyd SiO2 enthält.5 shows the DTA curve for the composition 76 of Table VI, which contains the oxide components of NaNbO 3 and Cd 0 15 NbO 3 and the glass-forming oxide SiO 2 .
Die entsprechenden Lagen der Spitzen und Abfälle dieser Kurven entsprechen roh denjenigen der DTA-Kurve nach F i g. 3. Aus der Kurve erkennt man, daß die Glaszüsammensetzung 76 einen Anlaßpunkt bei etwa 600° C aufweist, eine erste ferroelektrische Phase bei etwa 690° C besitzt und einen ersten Schmelzabfall bei etwa 11700C zeigt. Der Gesamtbereich der Temperaturen, die sich für die Wärmebehandlung dieses Glases eignen, liegt zwischen 690 und 11600C, mit einem Optimum bei etwa 9050C. Man benötigt eine 2 Stunden dauernde Wärmebehandlung, um bei der optimalen Wärmebehandlungstemperatur eine Maximalkristallisation zu erzielen.The corresponding positions of the peaks and slopes of these curves roughly correspond to those of the DTA curve according to FIG. 3. From the curve it is seen that the Glaszüsammensetzung 76 has a rise point at about 600 ° C, has a first ferroelectric phase at about 690 ° C and shows a first melting drop at about 1170 0 C. The total range of temperatures suitable for heat treating this glass is 690-1160 0 C, with an optimum at about 905 0 C. It requires a 2-hour heat treatment in order to achieve a maximum crystallization at the optimum heat treatment temperature.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Zusammensetzung 90 nach Tabelle VI die bildenden Oxyde der ferroelektrischen Verbindungen BaTiO3 und NaNbO3 in ihrer Gesamtmenge von 86,4kation. Molprozent enthält. Die Dielektrika für die Kondensatoren gemäß der Erfindung sollen vorzugsweise nicht mehr als 90% der bildenden Oxyde der ferroelektrischen Verbindungen enthalten, da eine geringe Menge einer glasigen Phase oder. Struktur wünschenswert ist, um demIt should be pointed out that the composition 90 according to Table VI contains the oxides of the ferroelectric compounds BaTiO 3 and NaNbO 3 in their total amount of 86.4 cation. Contains mole percent. The dielectrics for the capacitors according to the invention should preferably not contain more than 90% of the forming oxides of the ferroelectric compounds, since a small amount of a glassy phase or. Structure is desirable to that
halbkristallinen Körper mechanische Festigkeit zu geben. Andererseits enthält die Zusammensetzung 5 nach Tabelle I eine berechnete Gesamtmenge von nur 39,4 kation. Molprozent BaTiO3 und besitzt eine Dielektrizitätskonstante K = 300. Zusammensetzungen mit weniger als etwa 30 kation. Molprozent der gesamten bildenden Oxyde einer oder mehrerer ferroelektrischen Verbindungen haben vergleichsweise niedrige Dielektrizitätskonstanten, obwohl sie noch einen guten Isolationswiderstand und verhältnismäßig hohe Uberschlagspannung besitzen.to give semi-crystalline bodies mechanical strength. On the other hand, Composition 5 according to Table I contains a calculated total amount of only 39.4 cations. Mole percent BaTiO 3 and has a dielectric constant K = 300. Compositions with less than about 30 cation. Mol percent of the total forming oxides of one or more ferroelectric compounds have comparatively low dielectric constants, although they still have a good insulation resistance and a comparatively high flashover voltage.
Im allgemeinen sind die Kondensatoren gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ungewöhnlich hohen Isolationswiderstand bis zu 1011 Ohm bei 4000C (Zusammensetzung 11 nach Tabelle I) und Uberschlagsspannungen bis zu 4 ■ 105 Volt Gleichstrom pro Zentimeter oder 2 · 105 Volt Wechselstrom pro Zentimeter (ein Durchschnittswert einer der häufigsten Zusammensetzungen im SystemIn general, the capacitors according to the invention is characterized by unusually high insulation resistance up to 10 11 ohms at 400 0 C (composition 11 of Table I) and flashover voltages up to 4 ■ 10 5 volts DC per centimeter, or 2 x 10 5 Volts AC per centimeter (an average of one of the most common compositions in the system
2020th
BaO — TiO2 — SiO2 — Al2O3).BaO - TiO 2 - SiO 2 - Al 2 O 3 ).
In den Kurven nach F i g. 6 ist die Dielektrizitätskonstante als Funktion der Temperatur für halbkristalline Produkte einer Anzahl der Zusammen- Setzungen nach Tabelle VI angegeben. Die Kurven sind durch die Ziffern der entsprechenden Zusammensetzungen bezeichnet, und die Temperaturen, bei denen die entsprechenden Zusammensetzungen in der Wärme behandelt werden, um sie in den halbkristallinen Zustand zu überführen, sind ebenfalls angegeben. Man erkennt aus den Kurven,1 daß man eine Vielzahl von Änderungen der Kapazität mit der Temperatur mit Hilfe der verschiedenen Zusammensetzungen erhalten kann.In the curves according to FIG. 6 the dielectric constant is given as a function of the temperature for semicrystalline products of a number of the compositions according to Table VI. The curves are denoted by the numerals of the respective compositions, and the temperatures at which the respective compositions are heat treated to convert them to the semicrystalline state are also indicated. It can be seen from the curves 1 that a large number of changes in capacitance with temperature can be obtained with the aid of the various compositions.
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