CN1614720A - 纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻及其制作工艺 - Google Patents

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Abstract

一种纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻，它包括下列各成分：三氧化二铋、二氧化钛、氧化高钴、三氧化二镍、碳酸锰、硝酸铝、其余为氧化锌；本发明采用液相合成的单分散纳米TiO2与其它普通微米级粉体材料相复合，纳米TiO2颗粒在体系中均匀分布且完全不存在团聚体，由此方法制成的低压氧化锌压敏电阻电压梯度低于25V/mm，非线性系数、漏电流、限制电压比、能量容量和通流能力均优于传统方法生产的低压压敏电阻，批量生产成品率平均大于90％。

Description

纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻及其制作工艺
                             技术领域
本发明涉及一种氧化锌压敏电阻及其制作工艺。
                             背景技术
现有技术中，氧化锌压敏电阻是在ZnO粉末基料中掺入少量的Bi2O3、Co2O3、MnO2、Sb2O3、TiO2、Cr2O3、Ni2O3等多种添加剂，经混合、成型、烧结等工艺过程制成的精细电子陶瓷；它具有电阻值对外加电压敏感变化的特性，主要用于辨识、限制电路中可能出现的各种瞬态过电压，并可同时吸收浪涌能量。
早期的氧化锌压敏电阻主要用作电器设备和电力***的过压保护和浪涌抑制元件，所采用的都是ZnO-Bi2O3-Sb2O3系高压材料，压敏电压均在200V以上。上世纪80年代初，出现了低压氧化锌压敏电阻，其压敏电压在18V～68V之间，它首先在电话线路上取代了硅半导体稳压管及SiC陶瓷元件。目前低压氧化锌压敏电阻主要用于中低压半导体器件的过压保护，随着电子产品的小型化、集成化，对低压压敏电阻的需求量越来越大，如计算机、电话和汽车电子线路等。
氧化锌压敏电阻低压化的关键是去掉或去掉一部分原有配方中起提高压敏电压作用的Sb2O3并以TiO2取代之。许多研究者通过大量的实验分析发现：由于TiO2中的Ti4+的离子半径为0.068nm，比ZnO中的Zn2+的离子半径(0.074nm)略小，但也很接近，故Ti4+可以在烧结过程中替位式进入ZnO晶粒的表面晶格，引起晶格畸变而使晶格活化。变价元素Ti在高温下还原，周围出现一定数量的氧缺位。这种氧缺位非常有利于质点扩散的进行，促进固相传质，而且在含Bi2O3的ZnO压敏陶瓷中TiO2与Bi2O3形成低熔点化合物(Bi4Ti3O12)液相。这种液相有润湿、粘结和拉紧作用，强化了粉粒之间的接触，使传质作用大大加强，促进了ZnO晶粒的生长；同时在ZnO晶格位置中Ti被电离成+3或+4价的有效施主，使耗尽层中有效施主浓度增加，降低了势垒高度，从而使ZnO压敏陶瓷的压敏电压降低。在以上研究中采用的均为分析纯的微米级或亚微米级的粉体TiO2试剂，这样制成的压敏电阻的电压梯度在45～50V/mm之间。
1990年后，有人开始研究纳米级粉体TiO2对氧化锌压敏电阻的改性作用。实验发现：以适当方法将纳米级粉体TiO2加以预分散并掺如氧化锌压敏电阻后，压敏电阻的电压梯度可近一步降低到35V/mm左右。与此同时，还有人研究了采用全纳米相复合(0-0复合)前驱粉体制成的低压压敏电阻的电性能，由于在0-0复合前驱复合粉体中的TiO2和ZnO均为纳米粒子，因此压敏电阻的电压梯度并不能近一步下降，反而还会有一定的提高。
虽然前人在微米级、亚微米级和纳米级TiO2添加剂基础上已开发出低压氧化锌压敏电阻，但是其产品在性能、工艺和量产良率等方面还很不理想，具体存在以下问题：
1、压敏电压梯度仍然偏高，即使掺杂纳米粉体TiO2，压敏电阻的电压梯度依然保持在35V/mm，在此情况下，18V和22V压敏电阻的压片厚度仅为0.61mm和0.75mm，大多数的旋转式(干)压机几乎不可能稳定地压制出如此之薄的胚片。如采用扎膜机或流延机成型，则工效低、成本高；
2、掺杂微米级、亚微米级和纳米级粉体TiO2生产低压压敏电阻的成品率极低，平均仅为50％左右，其中18V和22V产品的成品率只有30％左右；
3、掺杂微米级和亚微米级粉体TiO2后，低压压敏电阻出现非线性系数降低、漏电流增大、限制电压比提高、能量容量减小和通流能力下降等不利于其应用的劣化现象，因此低压压敏电阻长期以来不能得到广泛应用；
4、纳米TiO2颗粒表面存在着30多个性质各异的活性基团，因此很难分散于水介质中，并大多以团聚体形式存在于体系中。虽然掺杂纳米级粉体TiO2的压敏电阻的综合性能略高于掺杂微米或亚微米级粉体TiO2的压敏电阻，但参数的分散性更大，反而不能提高良率。
我们的实验研究已证实：由于微米级和亚微米级粉体TiO2的粒度大于主基料ZnO的粒度而且添加比例较低，它不能与ZnO均匀混合，在烧结过程中造成ZnO晶粒的异向长大，所以采用该原料的低压压敏电阻的参数离散度大、成品率低、能量容量小、通流能力差；又由于微米级和亚微米级粉体TiO2颗粒的化学/表面活性较低，它既不能与体系中的Bi2O3、ZnO等物料充分反应生成钛酸盐类化合物，也不能充分固溶于ZnO晶粒中而形成施主，因此造成非线性系数低、漏电流大、限制电压比高。纳米级粉体TiO2的一次粒径虽然很小(一般为20nm)，但它通常以团聚体形式存在，同样不能与ZnO均匀混合，而且在烧结过程中，团聚体的外层扩散，使ZnO晶粒的异向长大，而其内层收缩形成较大的颗粒，因此不能完全发挥出TiO2纳米效应，而且团聚体的收缩会造成气孔等结构性缺陷，使低压压敏电阻的参数离散度加大。
综上所述，由于采用现行添加剂原料和工艺既不能从根本上改善低压氧化锌压敏电阻的性能，扩大其应用领域，也不能真正实现批量生产。
                             发明内容
本发明目的是提供一种产品性能良好、可适合于工业化生产的纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻及其制作工艺。
本发明的技术方案是：一种纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻，它包括下列按摩尔百分比配合的各成份
三氧化二铋0.5％～0.8％；
二氧化钛0.5％～1.5％；
氧化高钴1.0％～1.5％；
三氧化二镍0.1％～0.3％；
碳酸锰0.3％～0.7％；
硝酸铝0.002％～0.02％；
其余为氧化锌；
所述的二氧化钛为单分散纳米二氧化钛，其粒径小于20纳米，且在液相介质中以单颗粒形式存在。
一种纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻的制作工艺，它包括下列工序
将单分散纳米级二氧化钛在球磨罐中与纯水充分混溶，然后加入氧化锌，球磨两个小时后，加入硝酸银和硝酸铝，再球磨一小时后加入其余的成份，再球磨三小时后出料，并通过喷雾造粒制成压敏电阻粉料，最后烧结成压敏电阻。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明采用液相合成的单分散纳米TiO2与其它普通微米级粉体材料相复合(0-3复合)，纳米TiO2颗粒在体系中均匀分布且完全不存在团聚体，由此方法制成的低压氧化锌压敏电阻电压梯度低于25V/mm，非线性系数、漏电流、限制电压比、能量容量和通流能力均优于传统方法生产的低压压敏电阻，批量生产成品率平均大于90％。
                           具体实施方式
一种纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻，它包括下列按摩尔百分比配合的各成份
三氧化二铋0.5％～0.8％；
二氧化钛0.5％～1.5％；
氧化高钴1.0％～1.5％；
三氧化二镍0.1％～0.3％；
碳酸锰0.3％～0.7％；
硝酸铝0.002％～0.02％；
碳酸钡0.05％～0.10％；
氧化锡0.5％～0.9％；
碳酸锶0.005％～0.009％；
硼酸0.02％～0.05％。
三氧化二铬0.3％～0.7％
硝酸银0.001％～0.005％。
其余为氧化锌；
所述的二氧化钛为单分散纳米二氧化钛，其粒径小于20纳米，且在液相介质中以单颗粒形式存在。
一种纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻的制作工艺，它包括下列工序
将单分散纳米级二氧化钛在球磨罐中与纯水充分混溶，然后加入氧化锌，球磨两个小时后，加入硝酸银和硝酸铝，再球磨一小时后加入其余的成份，再球磨三小时后出料，并通过喷雾造粒制成压敏电阻粉料，最后烧结成压敏电阻。在出料前0.5～1小时，应加入摩尔重量百分比0.3％～1.0％的聚乙烯醇或聚乙二醇粘合剂以保证造粒质量。从0-3复合低压压敏电阻粉料到低压压敏电阻成品的生产工艺流程与现行工艺流程完全相同，不再赘述。采用该0-3复合低压压敏电阻粉料制成低压压敏电阻瓷片时，根据不同的保温时间，烧结温度的设定范围为1210℃～1300℃。
按下表1所示的配方和上述的制作工艺，分别添加等物质量的亚微米级TiO2、纳米粉体TiO2和单分散纳米TiO2的效果对比如表2所示，其它原料均为同批，工艺方法和工艺参数完全相同，且烧结温度同为1250℃，保温2小时。三种不同的样品生产φ7×1mm规格的低压压敏电阻各3万片，分析时在3万片中任取215片进行测试。
    成分     纯度/形态   比例(mol％)
氧化锌(ZnO)     工业优级     94.9452
三氧化二铋(Bi2O3)     电子级     0.7000
二氧化钛(TiO2)     亚微米级纳米粉体(20nm)单分散纳米级(13nm) 0.9500
氧化高钴(Co2O3)     电子级     1.3000
三氧化二镍(Ni2O3)     电子级     0.3000
碳酸锰(MnCO3)     电子级     0.4500
三氧化二铬(Cr2O3)     CP/AR     0.4000
碳酸钡(BaCO3)     AR     0.0400
氧化锡(SnO2)     AR     0.8500
碳酸锶(SrCO3)     AR     0.0090
硼酸(H3BO3)     AR     0.0500
硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O)     AR     0.0028
硝酸银(AgNO3)     AR     0.0030
                                                     表1
iO2种类   Ub(V//mm)  ξ(％)  α  IL(μA)  Kc          8/20μs通流          2ms方波能量
 Ip(A) ΔU1mA/U1mA(％)  E(J) ΔU1mA/U1mA(％)
单分散纳米级 24.2 5.15 27～30  0.39～3.93  1.65～1.70 500 -3.36～4.48 0.8 -0.85～-1.45
纳米粉体 45.8 28.6 20～26  0.10～10.9  1.73～1.96 500 -6.32～-100 0.8 -2.57～-100
亚微米级 48.3 19.5 6～17  35.3～78.2  2.25～3.64 500 击穿 0.8 击穿
                                                     表2
注：表中符号说明：
Ub，压敏电压梯度；
ξ，压敏电压的离散度，即215片样品的压敏电压值的均方差与其平均值之比；
α，非线性系数；
IL，83％比例电压下的漏电流；
Kc，限制电压比，即压敏电阻在波形8/20μs、峰值2.5A脉冲电流下的残压与其压敏电压U1mA之比；
Ip，8/20μs脉冲电流通流量；
E，2ms方波能量；
ΔU1mA/U1mA，通流或能量测试前后，压敏电压U1mA的变化率。
从表2中三种不同样品的电性能分析统计数据看，本发明制成的低压氧化锌压敏电阻电压梯度最低(低于25V/mm)，非线性系数、漏电流、限制电压比、能量容量和通流能力均优于传统方法和添加纳米粉体TiO2生产的低压压敏电阻，而且批量生产成品率平均大于百分之九十。
本发明优于其它方法的原理是
1)本发明采用的TiO2添加剂是单分散的纳米级材料。这种材料比微米级和亚微米级材料的粒度小平均粒度仅为13nm，因此它的比表面积大、化学活性和高温下的原子迁移率高，它可以充分地替位进入ZnO晶粒的表面品格从而促进ZnO晶粒的生长，使电压梯度和限制电压比大幅度下降，同时它还可以与体系中的Bi2O3、ZnO、Co2O3等物料充分反应生成钛酸盐类化合物，从而抑制了Ti离子的变价，使非线性系数上升、漏电流随之下降；
2)由于所采用的纳米级TiO2添加剂的形态为单分散，即每颗纳米粒子都独立地存在于体系中并以单颗粒形式与体系中的其他物料的微米级颗粒相混合，因此分布均匀且不会造成ZnO晶粒的过度异向生长，瓷片内部ZnO晶粒尺寸比较均匀，结构性缺陷较少，所以本发明制成的低压氧化锌压敏电阻参数分布集中，同时能量容量和通流能力也随之提高；
3)本发明的制作工艺是保证单分散纳米级TiO2发挥最大效应的必要条件。由于配方中存在可溶性金属盐，而单分散的纳米粒子极易在电介质溶液中发生聚沉而部分失去纳米效应，所以需要先将将单分散的纳米TiO2与主基料ZnO混合球磨，使单分散的纳米TiO2粒子与ZnO颗粒充分混合并使纳米粒子吸附在ZnO颗粒上，这一过程完成后，再加入电介质就可以避免聚沉的发生。由于可溶性金属盐的添加比例很小，为了使之在体系分布均匀，需要再混磨一定的时间；其他所有的添加剂加入并充分混合后，均匀的0-3复合料浆体系才能最终实现。

Claims (6)

1.一种纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻，其特征在于：它包括下列按摩尔百分比配合的各成份
三氧化二铋0.5％～0.8％；
二氧化钛0.5％～1.5％；
氧化高钴1.0％～1.5％；
三氧化二镍0.1％～0.3％；
碳酸锰0.3％～0.7％；
硝酸铝0.002％～0.02％；
其余为氧化锌；
所述的二氧化钛为单分散纳米二氧化钛，其粒径小于20纳米，且在液相介质中以单颗粒形式存在。
2、根据权利要求1所述的纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻，其特征在于：它还包括
碳酸钡0.05％～0.10％；
氧化锡0.5％～0.9％；
碳酸锶0.005％～0.009％；
硼酸0.02％～0.05％。
3、根据权利要求1所述的纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻，其特征在于：它还包括
三氧化二铬0.3％～0.7％
硝酸银0.001％～0.005％。
4、一种纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻的制作工艺，其特征在于：它包括下列工序
将单分散纳米级二氧化钛在球磨罐中与纯水充分混溶，然后加入氧化锌，球磨两个小时后，加入硝酸银和硝酸铝，再球磨一小时后加入其余的成份，再球磨三小时后出料，并通过喷雾造粒制成压敏电阻粉料，最后烧结成压敏电阻。
5、根据权利要求4所述的纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻的制作工艺，其特征在于：在出料前0.5～1小时，应加入摩尔重量百分比0.3％～1.0％的聚乙烯醇或聚乙二醇粘合剂以保证造粒质量。
6、根据权利要求4所述的纳米掺杂复合低压氧化锌压敏电阻的制作工艺，其特征在于：所述的烧结温度的设定范围为1210℃～1300℃。
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