[发明专利]一种等离子喷涂钛酸钡高介电涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及热喷涂涂层制备技术，特别涉及一种等离子喷涂系统制备钛酸钡高介电陶瓷涂层的方法。

背景技术

BaTiO₃是电子陶瓷材料的基础原料，被称为电子陶瓷业的支柱，也是电子陶瓷中使用最广、用量最大的重要原料之一。BaTiO₃可溶于浓硫酸、盐酸及氢氟酸，熔点为1625℃，密度为6.08g/cm³，相对分子质量为233.19。BaTiO₃晶形有四方相、立方相、斜方相、三方相和六方相，最常见的是四方相晶体。BaTiO₃的优良性能主要包括有高介电常数、低介电损耗、优良的铁电、压电、耐压和绝缘性能等，例如，BaTiO₃在直流电场的作用下会产生极化效应，已成为高频电路元件中不可缺少的材料。同时强电性也被用于介质放大、调频和存贮设备。可以利用BaTiO₃陶瓷电容器的电容量随偏压而变化这一特性，来控制通过电容器的交变电流以进行放大。

目前，使用较为广泛的钛酸钡陶瓷的制备方法主要有三种：固相反应法、溶胶-凝胶法、水热合成法。固相反应法是目前制备钛酸钡陶瓷最成熟的方法，主要依靠固相扩散传质方式进行反应。以BaCO₃、TiO₂为主要原料，经球磨、成型、烧结等工艺过程，即可得到钛酸钡陶瓷块体材料，但烧结时产生较大收缩，难以保证烧结后尺寸精度。当作为工件使用时，为了保证形位尺寸精度和表面质量等要求，还需要对其进行车削、切削、磨削等。由于陶瓷材料的高硬、高脆，同时陶瓷元器件形状越来越复杂，对尺寸精度、表面粗糙度、可靠性的要求越来越高，机械加工难度越来越大，而且机械加工损伤层直接对元器件的性能产生不利影响。

发明内容

本发明涉及的等离子喷涂属于热喷涂技术，是将适合粒径的BaTiO₃粉末材料送入等离子射流中，使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。等离子喷涂射流的中心温度高达15000 K以上，喷涂的材料范围广，尤其适用于氧化物陶瓷、碳化物金属-陶瓷等较高熔点涂层材料的制备，可获得结合良好的层状致密涂层。同时具有生产效率高、成本低、工艺简单等优点，不需要精密车削、切削等，可根据需要增加后续磨削抛光工艺，即可达到元器件尺寸精度、表面粗糙度要求，喷涂后磨削抛光对元器件的性能基本不产生不利影响。

本发明的目的在于提供一种采用大气等离子喷涂系统制备钛酸钡高介电陶瓷涂层的方法。

本发明的目的是以下技术方案实现，具体步骤如下：

基体表面进行丙酮除油和超声波清洗后，采用24~60^#锆刚玉，喷砂压力0.1~0.4MPa进行喷砂粗化，至表面均匀粗糙；使用粒径10~50μm的纯BaTiO₃粉末，氮气为送粉载气，载气流量3~8L/min，送粉量 15~40g/min，喷涂电流300~600A，电压65~75V，功率20~45kW，等离子气体氩为40~50L/min，H₂为6~10L/min，喷距为90~150mm，基体预热温度80~200℃。

本发明方法制备的钛酸钡涂层厚度60~500μm，结合强度＞25MPa，相对介电常数高达800~2500(100Hz)，直流击穿电压4.5~10.0kV/mm。

利用等离子喷涂技术制备的BaTiO₃涂层和块体材料一样，具有高介电常数，低介电损耗的特点，其介电性能与室温钛酸钡块体材料相当。适合制备钛酸钡陶瓷薄层结构，特别是在元器件复杂型面上直接沉积涂层，作为强介电层用于一些特殊设计和复杂结构的陶瓷电容器，或作为功能陶瓷层应用于热电、压电元件等等。同时BaTiO₃涂层在正温度系数热敏电阻(PTC)、声纳、红外辐射探测元件、电光显示板、记忆材料、半导体材料、静电变压器、介质放大器、变频器、存储器以及聚合物基复合材料方面应用潜力巨大。

与现有的钛酸钡块体材料制备及成型技术相比，本发明具有以下显著优点：

1)  等离子喷涂射流温度高，适用于钛酸钡陶瓷涂层材料的制备，钛酸钡陶瓷层成分稳定，无其它杂质相产生；