CN102030523A - 一种基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

一种基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法 Download PDF

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魏乔苑
何金良
胡军
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Abstract

本发明涉及一种基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法，属于半导体材料技术领域。本方法由SnO2复合掺杂Co2O3、Cr2O3、Nb2O5，通过陶瓷制备工艺，通过压敏陶瓷材料制备工艺，制得残压比为1.86，非线性系数为42.6，电压梯度为364.6V/mm的压敏陶瓷材料。本发明与现有技术相比，比现有的SnO2基压敏陶瓷残压比低，具有较高的非线性系数和适当的电压梯度；与商用ZnO基压敏陶瓷具有可比的残压比、非线性系数、电压梯度等电学特性，同时具有简单的微观结构和更好的稳定性。

Description

一种基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法，属于半导体材料技术领域。
背景技术
压敏陶瓷材料是指在某一特定电压范围内具有非线性的I-V特性的一种半导体陶瓷材料。其电学性质可以用下式描述：J＝kEα，式中J是电流密度，E为电场强度，k是与材料有关的常数，α是非线性系数(α＞1)根据这种非线性的I-V特性制成的压敏电阻器可以用于抑制浪涌电流、过电压保护，被广泛用于保护电力设备安全、保障电子设备正常稳定工作。
目前应用最广的是20世纪60年代末发展起来的ZnO压敏电阻器。ZnO压敏陶瓷因具有良好的I-V非线性特性和耐冲击能力而广泛应用于过压保护和浪涌电流吸收等装置中。但由于掺杂量大，ZnO压敏材料包含多相结构，他的温度稳定性和老化问题一直没有得到根本的改善，在高压领域的应用也受到限制。为了寻找性能更好的压敏材料，科学工作者们也在不断的探索新的材料。
1995年，S.A.Pianaro等人首次发现少量掺杂的SnO2陶瓷材料具有良好的致密性和电学非线性。SnO2是一种具有金红石结构的n型半导体。与ZnO压敏材料复杂的多相结构迥然不同，这种材料只有一种相结构，具有较好的稳定性。只需少量的掺杂，就可大幅度提高其致密度和压敏性能。与ZnO相比它同时还具有其他一些优点，如通过掺杂改性研究发现，在提高电学性能的同时，SnO2压敏材料的电压梯度可通过极少量的受主掺杂提高数十倍，这为压敏元件的小型化提供了必要条件，SnO2压敏材料的热导率近乎为ZnO压敏材料的两倍，可以提高器件的散热性能和寿命，在泄放浪涌电流时也不会因受热不均而在热应力的作用下开裂破坏。科学工作者们对SnO2压敏陶瓷的性能进行了广泛、深入的研究，文献中SnO2压敏陶瓷的非线性系数α多在8～50之间。虽然SnO2压敏陶瓷的压敏特性已经可以做到与ZnO压敏陶瓷相比拟，但其浪涌吸收能力却不及后者，主要是因为其残压比过大。残压比的定义公式为KR＝UR/UN，即在规定波形(8/20μs标准冲击电流)下，脉冲电流密度550A/cm2下的残压与直流1mA电压之比。残压比可以比较直观的反应出压敏电阻限制过电压的能力，表明材料在大电流区域的电压非线性特性，一般情况下残压比应≤3，越小越好。一般使用的商业ZnO压敏电阻的残压比在1.7左右，而大部分SnO2压敏陶瓷的残压比在2以上残压比在压敏材料的研究工作中已得到广泛的应用，是考察防雷压敏电阻、避雷器阀片和高性能压敏电阻阀片性能的重要指标。
综上所述，目前还没有SnO2压敏陶瓷材料同时满足高非线性和低残压两个目标，还不足以满足实际应用的需要或替代ZnO压敏电阻。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法，针对现有SnO2压敏陶瓷材料残压比较高的问题，对配方进行改进，以降低压敏陶瓷材料的残压比，同时使制备工艺简单，容易操作。
本发明提出的基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备压敏陶瓷材料时原料中各组分的摩尔百分比为：
SnO2                99.39％～99.42％
Co2O3               0.5％
Cr2O3               0.02％～0.04％
Nb2O5               0.06％～0.07％
(2)按上述各组分按配方称重后混合，在混合物中加入适量无水乙醇，球磨8小时；
(3)球磨后的浆料烘干12小时，过80目筛，得到的粉料在160MPa的压力下压成直径11.5mm、厚约1mm的圆片，得到陶瓷坯体；
(4)将上述陶瓷坯体加热至900℃时，保温80分钟，继续加热至1300℃，烧结1小时。
本发明提出的基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法，由SnO2复合掺杂Co2O3、Cr2O3、Nb2O5，通过陶瓷制备工艺，制得的压敏陶瓷材料的残压比为1.86，非线性系数为42.6，电压梯度为364.6V/mm。对本发明方法制备的陶瓷材料的性能测试表明，比现有的SnO2基压敏陶瓷残压比低，具有较高的非线性系数和适当的电压梯度；与商用ZnO基压敏陶瓷具有可比的残压比、非线性系数、电压梯度等电学特性，同时具有简单的微观结构和更好的稳定性。因而使其在微结构、导热系数等方面的优势得以显现。
附图说明
图1为实施例一到四的XRD图谱，均只有SnO2的晶相。
图2为实施例一到四的I-V曲线。
具体实施方式
本发明提出的基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备压敏陶瓷材料时原料中各组分的摩尔百分比为：
SnO2            99.39％～99.42％
Co2O3           0.5％
Cr2O3           0.02％～0.04％
Nb2O5           0.06％～0.07％
(2)按上述各组分按配方称重后混合，在混合物中加入适量无水乙醇，球磨8小时；
(3)球磨后的浆料烘干12小时，过80目筛，得到的粉料在160MPa的压力下压成直径11.5mm、厚约1mm的圆片，得到陶瓷坯体；
(4)将上述陶瓷坯体加热至900℃时，保温80分钟，继续加热至1300℃，烧结1小时。
本发明方法中，各原料采用分析纯的SnO2(99.5％)、Co2O3(99.0％)、Nb2O5(99.99％)、Cr2O3(99.5％)粉料。
以下介绍本发明方法的实施例。
实施例一
制备压敏陶瓷材料时原料中各组分的摩尔百分比为：
SnO2            99.42％
Co2O3           0.5％
Cr2O3           0.02％
Nb2O5           0.06％
按照以下步骤制备：
(1)原料按照配方，经分析天平称出后，加入适量无水乙醇，用聚酯罐、ZrO2球于行星磨球磨8小时；
(2)球磨后的浆料烘干12小时，过80目筛，得到的粉料在160MPa的压力下压成直径11.5mm、厚约1mm的圆片；
(3)陶瓷坯体装入Al2O3坩埚，埋粉，加盖，在1300℃下烧结1h。
其中，步骤(2)的压片过程不须加入粘结剂即可干压成型，步骤(3)的烧结过程不须排胶过程，而在900℃时保温80分钟，以使Co2O3的分解反应充分进行。
测试其性能，XRD图谱显示只有SnO2主晶相结构，无第二相，如图1所示；残压比为1.82，非线性系数为13.5，电压梯度为364.9V/mm，如图2所示。
实施例二
制备压敏陶瓷材料时原料中各组分的摩尔百分比为：
SnO2                99.41％
Co2O3               0.5％
Cr2O3               0.03％
Nb2O5               0.06％
按照以下步骤制备：
(1)原料按照配方，经分析天平称出后，加入适量无水乙醇，用聚酯罐、ZrO2球于行星磨球磨8小时；
(2)球磨后的浆料烘干12小时，过80目筛，得到的粉料在160MPa的压力下压成直径11.5mm、厚约1mm的圆片；
(3)陶瓷坯体装入Al2O3坩埚，埋粉，加盖，在1300℃下烧结1h。
其中，步骤(2)的压片过程不须加入粘结剂即可干压成型，步骤(3)的烧结过程不须排胶过程，而在900℃时保温80分钟，以使CO2O3的分解反应充分进行。
测试其性能，XRD图谱显示只有SnO2主晶相结构，无第二相，如图1所示；残压比为1.68，非线性系数为15.9，电压梯度为391.2V/mm，如图2所示。
实施例三
制备压敏陶瓷材料时原料中各组分的摩尔百分比为：
SnO2                99.39％
Co2O3               0.5％
Cr2O3               0.04％
Nb2O5               0.07％
按照以下步骤制备：
(1)原料按照配方，经分析天平称出后，加入适量无水乙醇，用聚酯罐、ZrO2球于行星磨球磨8小时；
(2)球磨后的浆料烘干12小时，过80目筛，得到的粉料在160MPa的压力下压成直径11.5mm、厚约1mm的圆片；
(3)陶瓷坯体装入Al2O3坩埚，埋粉，加盖，在1300℃下烧结1h。
其中，步骤(2)的压片过程不须加入粘结剂即可干压成型，步骤(3)的烧结过程不须排胶过程，而在900℃时保温80分钟，以使Co2O3的分解反应充分进行。
测试本实施例制备的陶瓷材料的性能，X光图谱显示只有SnO2主晶相结构，无第二相，如图1所示；残压比为1.86，非线性系数为42.6，电压梯度为364.6V/mm，如图2所示。

Claims (1)

1.一种基于二氧化锡的低残压比压敏陶瓷材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)制备压敏陶瓷材料时原料中各组分的摩尔百分比为：
SnO2            99.39％～99.42％
Co2O3           0.5％
Cr2O3           0.02％～0.04％
Nb2O5           0.06％～0.07％
(2)按上述各组分按配方称重后混合，在混合物中加入适量无水乙醇，球磨8小时；
(3)球磨后的浆料烘干12小时，过80目筛，得到的粉料在160MPa的压力下压成直径11.5mm、厚约1mm的圆片，得到陶瓷坯体；
(4)将上述陶瓷坯体加热至900℃时，保温80分钟，继续加热至1300℃，烧结1小时。
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