專利名稱：一種二氧化錫基壓敏電阻材料及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種二氧化錫基壓敏電阻材料及制備方法，屬于電子陶瓷制備及應用技術領域。
背景技術：
SnO2基壓敏電阻材料是一種多功能新型陶瓷材料，它是以SnO2為主相，添加若干其它氧化物改性后的燒結體材料。與目前應用最廣泛的ZnO基壓敏陶瓷相比，SnO2基壓敏陶瓷具有摻雜量相對較少、由氧化物揮發導致的摻雜損失小以及熱導率高等優點，其在結構均勻性、晶界有效性、熱穩定性和抗老化特性方面表現更好，在電子、電力系統中應用前景很好。SnO2基壓敏電阻材料的非線性特性源于晶界效應。其中，Nb205、Ta20小5等施主摻雜產生自由電子，是SnO2基壓敏電阻的壓敏特性形成氧化物；同時，由于SnO2基壓敏電 阻難于燒結，常加入一些燒結助劑，如Bi2O3等，通常摻雜量不超過1%。在此三元體系的基礎上，還常常需要添加一些壓敏特性增強劑以改善SnO2基壓敏電阻材料的非線性特性，如Cr2O3以及部分稀土元素的氧化物等。它們或是改善材料微觀結構的均勻性、晶粒大小、氣孔率等，或是參與形成耗盡層，提高晶界勢壘，亦或是充分進入晶格，改善了晶粒電阻，從而改善材料的電學性能。但是，由于摻雜元素種類繁多，作用機制各不相同，如何控制SnO2基壓敏電阻材料的組成和微觀結構、提高其非線性和綜合性能是近年來的研究熱點。
發明內容
本發明提出一種新型二氧化錫基壓敏電阻材料及制備方法。用這種材料制作的SnO2基壓敏電阻材料組分簡單、揮發量少、摻雜元素更容易精確可控，材料的微觀結構更加均勻、致密，能顯著提高SnO2基壓敏電阻材料的非線性系數，壓敏電壓較高，綜合性能優良，特別適合家用電器以及高壓避雷器等應用。本發明提出的材料配方，其特征在于，以SnO2為主相，采用Ta2O5為非線性形成氧化物，Zn0、Ti02為非線性增強劑，并含有Co0、Cr203、Fe203、Cu0、Mn0、Ni0中的一種或者多種添加劑。所述主相SnO2摩爾百分含量為70 99. 95%，非線性形成氧化物Ta2O5的摩爾百分含量為O. 01 8%，非線性增強劑ZnO、TiO2的摩爾百分含量分別為O. 02 10%，其他添加劑的摩爾百分含量為O 2%。本發明提出的所述材料的相應制備方法，其特征在于，其技術方法簡單，采用傳統的電子陶瓷制備技術，其工藝流程依次包括“稱料、混料、高能球磨、烘干、預燒、研磨、過篩、模壓成型、燒結和被銀”工序。然后，對所得產品進行組成、結構及性能等相應檢測即可。在上述制備方法中，根據本發明提出的配方，在對各組分進行稱量、混料的同時，還按照所設計的SnO2基壓敏電阻材料中全部固相的總質量，分別添加質量分數O 10%的分散劑和粘接劑。在上述制備方法中，所述混料采用高能球磨方式，所述高能球磨為濕式球磨，即將所稱得的所有陶瓷原料的粉料(混合粉料)、分散劑和粘接劑、氧化鋯磨球、去離子水分散介質按照一定的比例同時放在聚氨酯球磨罐中，在高能球磨機上磨細、混勻；其中，混合粉料、氧化鋯磨球、去離子水的質量比為I : (2 10) (2 5)，球磨時間24 72小時。在上述制備方法中，所述烘干在常壓干燥箱中進行，將磨細混勻的漿料在溫度100 150°C下保溫24 72小時。在上述制備方法中，所述預燒的溫度為450 850°C，保溫時間I 4小時。在上述制備方法中，需將預燒好的粉料進行研磨，并選用合適目數的篩子進行過篩。所述研磨和過篩后，粉料晶粒小于O. I μ m,團聚體小于O. 15mm。 在上述制備方法中，所述模壓成型是對研磨后的粉料隨產品尺寸需要在指定規格和形狀的模具中干壓成型。在上述制備方法中，所述燒結在電爐中和空氣全循環環境下進行，升溫速度I 50C /min, 300 550°C保溫排膠I 6小時，在最高溫度1100 1500°C下保溫I 5小時，然后隨爐冷卻。在上述制備方法中，所述被銀工藝為，將樣品兩極均勻涂抹上特制銀漿料，并在500 800°C下保溫I 4小時焙干。用本發明提供的材料配方及制備方法制得的二氧化錫基壓敏電阻片，其電位梯度E(電流密度為ImA/cm2時對應的電位梯度值)為400 1200V/mm，非線性系數α [根據公Sa= 1/log (E10mA/ElmA)計算]為10 40，漏電流Il (75 % E所對應的電流密度值)為10 100 μ A/cm2，綜合性能優良。可用于手機、家用電器以及高壓避雷器等領域。
圖I是本發明實施例I所制得二氧化錫基壓敏電阻材料的X-射線衍射譜圖；圖2是本發明實施例I所制得二氧化錫基壓敏電阻材料的掃描電鏡照片；圖3是本發明實施例2所制得二氧化錫基壓敏電阻材料的X-射線衍射譜圖；圖4是本發明實施例2所制得二氧化錫基壓敏電阻材料的掃描電鏡照片。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明的技術方案做進一步說明。本發明提出一種新型二氧化錫基壓敏電阻材料及制備方法，其特征在于，所述二氧化錫基壓敏電阻材料以SnO2為主相，采用Ta2O5為非線性形成氧化物，Zn0、Ti02為非線性增強劑，并含有CoO、Cr2O3> Fe203、CuO, MnO, NiO中的一種或者多種添加劑。所述主相SnO2摩爾百分含量為70 99. 95%，非線性形成氧化物Ta2O5的摩爾百分含量為O. 01 8%，非線性增強劑ZnO、TiO2的摩爾百分含量分別為O. 02 10%，其他添加劑的摩爾百分含量為O 2%。所述制備方法，包括如下工藝步驟和內容I)按照所述二氧化錫基壓敏電阻材料的設計組成稱取原料，并分別添加質量分數O 10 %的分散劑和粘接劑。2)將所稱粉料、分散劑和粘接劑、氧化鋯球、去離子水在聚氨酯球磨罐中混合，在高能球磨機上磨細、混勻。3)在常壓干燥箱中，將磨細混勻的漿料在溫度100 150°C下保溫24 72小時烘干。4)將烘干的粉料在450 850°C下進行預燒，保溫時間I 4小時。5)將預燒好的粉料進行研磨，并選用合適目數的篩子進行過篩。6)對研磨后的粉料在指定規格和形狀的模具中干壓成型。7)按照預先設定的燒結制度對二氧化錫基壓敏陶瓷素坯進行燒結。8)對二氧化錫基壓敏陶瓷燒結體進行被銀，制作電極。9)在銀電極上焊制引線。所得到二氧化錫壓敏電阻為青白色固體。實施例I :將市售分析純Sn02、Ta2O5, ZnO、TiO2以摩爾比進行混料，其中Sn0295 . 49mol % ,Ta2O5O. Olmol % ,ZnO O. 5mol %、Ti024. Omol %，并添加 5% (質量分數)聚乙烯醇和5% (質量分數)Davon C，按I : 4 : 2的粉料鋯球去離子水的質量比投入聚氨脂球磨罐中，在球磨機上球磨24小時后，在空氣中、干燥箱中150°C下24小時烘干，在450°C保溫4小時進行預燒，研磨后，干壓成型，在1100°C下燒結5小時，在800°C下保溫I小時被銀制作電極。本實例所得二氧化錫基壓敏電阻經分析為典型的單相結構(如圖I所示)，晶粒大小均勻、致密(如圖2所示)。本實例所制作的二氧化錫基壓敏電阻片，其電位梯度E(電流密度為ImA/cm2時對應的電位梯度值)為1000V/mm，非線性系數α [根據公式α = 1/log (E10mA/ElmA)計算]為21，漏電流込(75% E所對應的電流密度值)為40 μ A/cm2。實施例2 :將市售分析純Sn02、Ta2O5, ZnO、TiO2, CuO以摩爾比進行混料，其中Sn0292 . 9 3mo I %, Ta2O5O. 05mol%,Zn0 O. 02mol %, Ti025. Omol %、CuO 2mol%，并添加 10%(質量分數)聚乙烯醇和10% (質量分數)Davon C，按I : 4 : 2的粉料鋯球去離子水的質量比投入聚氨脂球磨罐中，在球磨機上球磨72小時后，在空氣中、干燥箱中100°C下72小時烘干，在850°C保溫I小時進行預燒，研磨后，干壓成型，在1500°C下燒結I小時，在500°C下保溫4小時被銀制作電極。本實例所得二氧化錫基壓敏電阻經分析為典型的單相結構(如圖3所示)，晶粒大小均勻、致密(如圖4所示)。本實例所制作的二氧化錫基壓敏電阻片，其電位梯度E (電流密度為ImA/cm2時對應的電位梯度值)為600V/mm，非線性系數α [根據公式α = 1/log(E10mA/ElmA)計算]為18，漏電流込(75 % E所對應的電流密度值)為 100 μ A/cm2。權利要求
1.一種高性能二氧化錫基壓敏電阻材料，其特征在于，以SnO2為主相，采用Ta2O5為非線性形成氧化物，Zn0、Ti02為非線性增強劑，并含有Co0、Cr203、Fe203、Cu0、Mn0、Ni0中的一種或者多種添加劑，經混合燒結而成；所述主相SnO2摩爾百分含量為70 99. 95%，非線性形成氧化物Ta2O5的摩爾百分含量為O. 01 8%，非線性增強劑Zn0、Ti02的摩爾百分含量分別為O. 02 10%，其他添加劑的摩爾百分含量為O 2%。
2.按照權利要求I所述的高性能二氧化錫基壓敏電阻材料的制備方法，其特征在于，所述材料制備方法依次包括“混料、高能球磨、烘干、預燒、研磨、過篩、模壓成型、燒結和被銀”工藝步驟；所述陶瓷粉料在進行混料時，配料中同時加入質量分數分別為O 10%的分散劑和粘結劑；所述高能球磨中，混合粉末氧化鋯磨球去離子水質量比為I : (2 10) (2 5)，球磨24 72小時；所述烘干采用烘箱，溫度100 150°C，時間24 72小時；所述預燒中，溫度450 850°C，時間I 4小時；所述研磨和過篩后，粉料晶粒小于O.I μ m，團聚體小于O. 15mm;所述燒結在電爐中和空氣全循環環境下進行，升溫速度I 50C /min, 300 550°C保溫排膠I 6小時，在最高溫度1100 1500°C下保溫I 5小時，然后隨爐冷卻。
全文摘要
本發明涉及一種新型二氧化錫基壓敏電阻材料及制備方法，屬于電子陶瓷制備及應用技術領域。本發明提供此種材料的組分及含量，包括主相SnO270～99.95mol％，非線性形成氧化物Ta2O50.01～8mol％，非線性增強劑ZnO、TiO2各0.02～10mol％，并含有CoO、Cr2O3、Fe2O3、CuO、MnO、NiO中的一種或者多種添加劑0～2mol％。所述材料制備方法依次包括“混料、高能球磨、烘干、預燒、研磨、過篩、模壓成型、燒結和被銀”工藝步驟。用上述材料和制備方法所制得的壓敏電阻片，其電位梯度E(電流密度為1mA/cm2時對應的電位梯度值)為400～1200V/mm，非線性系數α[根據公式α＝1/log(E10mA/E1mA)計算]為10～40，漏電流IL(75％E所對應的電流密度值)為10～100μA/cm2，綜合性能優良。可用于手機、家用電器以及高壓避雷器等領域。
文檔編號C04B35/622GK102643086SQ20121004113
公開日2012年8月22日 申請日期2012年2月22日 優先權日2012年2月22日
發明者付志強, 岳 文, 彭志堅, 王成彪, 賀劍鋒 申請人:中國地質大學(北京)