CN102608168A

CN102608168A - 气敏电阻材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102608168A
Application number: CN2012100484617A
Authority: CN
Inventors: 曹石; 李俊; 秦元斌; 杨槐馨; 李建奇
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: CN102608168B

Abstract

本发明提供一种气敏电阻材料及其制备方法，该材料为以下通式的化合物：RFe₂O₄(RFeO₃)_n，其中R为Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或In，n等于0或1。本发明使用上述材料充当探测电阻丝，抗腐蚀，耐高温，响应时间快(响应时间为秒的量级)，制备工艺简单，具有很宽广的工作温区(-50℃～200℃)。

Description

气敏电阻材料及其制备方法

技术领域

本发明属于气氛探测领域，尤其涉及一种气敏电阻材料及其制备方法。

背景技术

对于某些材料，其电阻值随所处外界气氛的变化而改变。电阻对气氛响应有不同的机理，例如不同气氛中样品表面与气氛气体发生氧化还原反应，导致样品表面能带结构发生变化从而影响样品的电输运性质，或者由于不同气体导热率不同，从而导致在气氛中探测电阻丝的温度不同，通过测量电阻的大小，就可以推算样品所处的气体环境以及其压强。

一种常见的探测气体真空度的元件为皮拉尼电阻规，该电阻规一般使用金属丝，耐腐蚀耐高温性较差，故皮拉尼电阻规具有较窄的工作温区，并且只用于探测给定气体的真空度。其余的气敏探测元件，如SnO₂气敏元件可以根据SnO₂在不同气氛中电阻值不同而标定探测气体的成分，但其工作响应温度较高，高温下才能与气氛发生化学从而导致元件电阻改变以达到探测气氛的目的。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决以上现有技术的至少一个问题，提供一种新的气敏电阻探测材料。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一方面，提供一种气敏电阻材料，该材料为以下通式的化合物：RFe₂O₄(RFeO₃)_n，其中R为Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或In，n等于0或1。

在上述气敏电阻材料中，其中，所述材料为单晶或多晶。

根据本发明的另一方面，提供一种制备气敏电阻材料RFe₂O₄的方法，包括以下步骤：

步骤1)：将R₂O₃和Fe₂O₃按照摩尔比1∶2充分混合，在CO₂和H₂的气氛下烧结，温度为1000℃至1300℃，然后冷却至室温，得到RFe₂O₄粉末；其中R为Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或In；

步骤2)：将已得到的多晶粉末置于铂金坩埚中并被加热到1500℃-1700℃，固体被融化，然后冷却至900℃。

在上述方法中，步骤1)包括在1200℃下烧结，然后随炉冷却至室温。

在上述方法中，步骤2)包括加热到1620℃。

在上述方法中，步骤2)包括以1℃/min的速度冷却至900℃。

根据本发明的又一方面，提供一种制备气敏电阻材料RFe₃O₇的方法，包括以下步骤：

步骤1)：将R₂O₃和Fe₂O₃按照摩尔比2∶3充分混合，混合均匀后压制成片，放入管式炉中，在CO₂与H₂混合气氛下烧结；

步骤2)：当步骤1)得到的产物温度降至900℃时，将产物放入冰水混合物中淬火。

在上述方法中，步骤1)中的烧结时间为48小时。

在上述方法中，步骤1)中的烧结温度为1200℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明使用氧化物陶瓷材料充当探测电阻丝，抗腐蚀，耐高温，响应时间快(响应时间为秒的量级)，制备工艺简单，具有很宽广的工作温区(-50℃～200℃)。在室温范围到400K的温区内都可以对不同气氛(包括真空)，产生阻变响应，从而达到探测气氛的目的。本发明的气敏电阻探测材料不仅可以用于探测真空度用于制备真空计，还可以利用常温下的气氛敏感的性质制备成气敏元件。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1示出了LuFe₂O₄在不同气氛下得到的电流-电压关系；

图2示出了LuFe₂O₄电阻在气体环境逐渐发生变化时在不同温度下的响应范围；

图3示出了LuFe₂O₄电阻在氧气和真空中周期性的变化；

图4示出了YbFe₂O₄电阻依次在真空、氩气和氧气中的变化曲线；

图5示出了Yb₂Fe₃O₇电阻依次在真空、氩气和氧气中的变化曲线；

图6示出了InFe₂O₄电阻依次在真空、氩气和氧气中的变化曲线。

具体实施方式

下面通过实施例，具体描述本发明RFe₂O₄(RFeO₃)_n(n＝0，1)体系中几种典型材料的性能及制备方法。

实施例1：LuFe₂O₄样品的制备

实验中所用的LuFe₂O₄多晶样品为通过传统的固态烧结法合成。将高纯度的氧化镥Lu₂O₃(99.99％)和Fe₂O₃(99.9％)按照摩尔(mol)比1∶2充分混合，放入管式炉中，用CO₂和H₂不同的体积比例(例如1.9～7)来控制不同的氧化还原气氛，在1200℃下烧结，然后随炉冷却至室温。在已得到的多晶LuFe₂O₄粉末被置于铂金坩埚中并被加热到1620℃，固体被融化，然后以1℃/min的速度冷却至900℃。生长得到的单晶典型尺寸为1×2×0.5mm³。

图1示出了LuFe₂O₄在不同气氛下得到的电流-电压关系。如图1所示，在不同探测电流下，不同气氛中样品LuFe₂O₄的压降不同，即样品电阻在不同氛围中不同。由此可见，利用电阻与气氛的对应关系可以制成气敏电阻计。

图2示出了LuFe₂O₄在气体环境逐渐发生变化时的电阻在不同温度下的响应范围。如图所示，当样品LuFe₂O₄所处气体环境发生改变时(从氩气变到真空)，其电阻响应范围为室温到350K。在其它不同气体中也具有同样的性质。

图3示出了LuFe₂O₄电阻在氧气和真空中周期性的变化。由此可见，样品气敏特性具有很好的可重复性和灵敏性，且样品电阻随真空度的增加而减小。

实施例2：Lu₂Fe₃O₇样品的制备

将高纯度的氧化镥Lu₂O₃(99.99％)和Fe₂O₃(99.9％)按照摩尔比2∶3充分混合，混合均匀后压制成片，放入管式炉中在CO₂与H₂混合气氛下控制氧分压，其中CO₂∶H₂体积比可调节(例如1.9～7)，在1200℃下烧结48小时，当样品温度降至900℃左右时将样品放入冰水混合物中淬火，制得Lu₂Fe₃O₇多晶样品。

实验测得，当样品LuFe₂O₄所处气体环境发生改变时(从氩气变到真空)，其电阻响应范围为室温到370K，并且在其它不同气体中也具有同样的性质。

实施例3：YbFe₂O₄样品的制备

实验中所用的YbFe₂O₄多晶样品为通过传统的固态烧结法合成。将高纯度的氧化钇Yb₂O₃(99.99％)和Fe₂O₃(99.9％)按照摩尔(mol)比1∶2充分混合，放入管式炉中，用CO₂和H₂不同的体积比例(例如1.9～7)来控制不同的氧化还原气氛，在1200℃下烧结，然后随炉冷却至室温。在已得到的多晶YbFe₂O₄粉末被置于铂金坩埚中并被加热到1620℃，固体被融化，然后以1℃/min的速度冷却至900℃。整个过程中混合气氛CO₂∶H₂体积比可调节。生长得到的单晶典型尺寸为1×2×0.5mm³。

图4示出了YbFe₂O₄电阻依次在真空、氩气和氧气中的变化曲线。从图中可以看出，不同气氛中，样品电阻有较大差异。

实施例4：Yb₂Fe₃O₇样品的制备

将高纯度的氧化镥Yb₂O₃(99.99％)和Fe₂O₃(99.9％)按照摩尔比2∶3充分混合，混合均匀后压制成片，放入管式炉中在CO₂与H₂混合气氛下控制氧分压，其中CO₂∶H₂体积比可调节(例如1.9～7)，在1200℃下烧结48小时，当样品温度降至900℃左右时将样品放入冰水混合物中淬火，制得Yb₂Fe₃O₇多晶样品。

图5示出了Yb₂Fe₃O₇电阻依次在真空、氩气和氧气中的变化曲线。从图中可以看出，不同气氛中，样品电阻有较大差异。

实施例5：InFe₂O₄样品的制备

实验中所用的InFe₂O₄多晶样品为通过传统的固态烧结法合成。将高纯度的氧化铟In₂O₃(99.99％)和Fe₂O₃(99.9％)按照摩尔(mol)比1∶2充分混合，放入管式炉中，用CO₂和H₂不同的比例来控制不同的氧化还原气氛，在1200℃下烧结，然后随炉冷却至室温。在已得到的多晶InFe₂O₄粉末被置于铂金坩埚中并被加热到1620℃，固体被融化，然后以1℃/min的速度冷却至900℃。整个过程中混合气氛CO₂∶H₂体积比可调节。生长得到的单晶典型尺寸为1×2×0.5mm³。

图6示出了InFe₂O₄电阻依次在真空、氩气和氧气中的变化曲线。从图中可以看出，不同气氛中，样品电阻有较大差异。

实施例6～10：

按照实施例1中描述的工艺步骤和条件，把其中的高纯度氧化镥换成氧化钇、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥，分别制备了YFe₂O₄、DyFe₂O₄、HoFe₂O₄、ErFe₂O₄和TmFe₂O₄。经测试表明，在不同探测电流下，不同气氛中样品的压降明显不同；当这些产物所处气体环境发生改变时(从氩气变到真空)，电阻响应范围为室温到400K。

实施例11～15：

按照实施例2中描述的工艺步骤和条件，把其中的高纯度氧化镥换成氧化钇、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥，分别制备了YFe₃O₇、DyFe₃O₇、HoFe₃O₇、ErFe₃O₇和TmFe₃O₇。经测试，当这些产物所处气体环境发生改变时(从氩气变到真空)，电阻响应范围为室温到400K。

通过以上实施例可以看出，由于在RFe₂O₄(RFeO₃)_n(n＝0或1，R＝Yb、Lu、In、Y、Dy、Ho、Er或Tm)体系的多晶或单晶材料中发现如下现象：在室温下，材料在不同的气体氛围和真空中(＜10^-2帕)，电阻率具有明显的不同，因此本发明使用RFe₂O₄(RFeO₃)_n(n＝0，1)体系的多晶或单晶陶瓷材料，充当气敏电阻探测元件。

本发明的RFe₂O₄(RFeO₃)_n体系中，具有如下特性：以在室温空气中的电阻率为标准，在氧化性气氛，如氧气中，样品电阻率会增大(变化率＞10％)，在真空中(＜10^-2帕)，样品的电阻率变小(变化率＞10％)。并且随着通过样品电流密度的增加，在不同气氛下(包括真空)电阻率的变化增加。如典型的LuFe₂O₄样品，当电流密度为2.5mA/cm²时，氧气氛围下，样品电阻率相对于真空，变化30％。当电流密度为5.0mA/cm²，此变化量增大为70％。另外，在室温范围到400K的温区内都可以对不同气氛(包括真空)，产生阻变响应，从而达到探测气氛的目的。

需要说明的是，以上实施例仅为示意目的，在本发明的制备RFe₂O₄的其他实施例中，烧结温度也可以在1000℃至1300℃之间，并且可以采用冷水浴等方式冷却。在得到RFe₂O₄粉末后的加热温度可以介于1500℃-1700℃之间，因为如果温度不够，材料不能充分熔化，不能制备出需要的化合物，然而如果温度过高，会加速稀土元素的挥发，因此介于1500℃-1700℃之间是优选的工艺条件。另外，冷却速度可根据具体冷却方式而有所不同，本领域技术人员可根据冷却装置及方式来决定。在本发明的制备RFe₃O₇的其他实施例中，烧结温度也可以在1000℃至1300℃之间，因为在此温度范围内，两种化合物混合得更充分。

尽管参照上述的实施例对于本发明已作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神和范围之内。

Claims

1.一种气敏电阻材料，该材料为以下通式的化合物：RFe₂O₄(RFeO₃)_n，其中R为Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或In，n等于0或1。

2.根据权利要求1所述的气敏电阻材料，其特征在于，所述材料为单晶或多晶。

3.一种制备气敏电阻材料RFe₂O₄的方法，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1)包括在1200℃下烧结，然后随炉冷却至室温。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2)包括加热到1620℃。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2)包括以1℃/min的速度冷却至900℃。

7.一种制备气敏电阻材料RFe₃O₇的方法，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的烧结时间为48小时。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的烧结温度为1200℃。