CN101114539B - 氧化铽的用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了氧化铽的一种用途，它是将氧化铽粉末压片、烧结后用于制作压敏电阻的材料。用其制作的压敏电阻的转变电压低，能量吸收能力强，介电性能好。

Description

氧化铽的用途

技术领域

本发明涉及一种氧化铽的用途。

背景技术

压敏电阻是上世纪七十年代末发展起来的一种很有应用前景的半导体器件，它具有不遵从欧姆定律的非线性电学行为，即在转变电压以下其电阻很大，电流很小；超过转变电压其电阻急剧减小，电流急剧增大。用于过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪等保护半导体元器件及电路。目前使用的压敏电阻主要由氧化锌(ZnO)材料制成，其转变电压高，通常为180V以上，能量吸收能力较低，约为150-270J/cm³，介电性能低，介电常数为500～1500。而目前的电子电路与早期的由继电器和真空管组成的电路相比，更容易受到的破坏，因此要求压敏电阻具有更低的转变电压，更高的能量吸收能力和介电性能。参见：文献1、Effect of sinter temperature on theelectrical properties of TiO₂-based capacitor-visitors，C P Li et al，Mater.Lett.57，1400，2003；文献2、The role of silica in enhancing thenonlinearity coefficients by modifying the trap states of zinc oxideceramic varistors，T R N Kutty et al，J.Phys.D：Appl.Phys.29，809，1996；文献3、Improvement of energy-handling capability of the ZnOvaristors prepared by fractional precipitation on the seed materials，Y P Wang et al，J Mater Sci：Mater Electron 18，5，495，2007。

现有技术中，氧化铽主要应用在三基色绿色荧光粉、电致发光材料、高性能磁光光盘、以及磁致伸缩材料等方面，参见“稀土元素铽及其应用”稀土信息2005年第9期。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种氧化铽的用途，它是将氧化铽用作压敏电阻，该压敏电阻具有优良的介电性能，转变电压低，能量吸收能力强。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是：一种氧化铽的用途，是将氧化铽粉末压片、烧结后涂上电极，作为压敏电阻。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：较之常用的氧化锌压敏电阻，本发明的氧化铽压敏电阻，转变电压低，介电性能好，能量吸收能力强，适应现有电子电路对压敏电阻的要求。实验证明其转变电压可以低至37.0V，介电常数在5000以上，能量吸收能力在2000J/cm³以上。

上述的氧化铽粉末压片、烧结的具体步骤是：在氧化铽粉末中加入粘结剂，在100～300MPa的压力下压片，在900～1200℃空气中保温烧结0.5～3小时，冷却到室温。

这样，利用现有的陶瓷烧结工艺，工艺简单，能够实现规模化的工业生产。

上述的粉末压片后保温烧结的温度为1050～1100℃。在此温度条件下，烧结成的氧化铽非线性电学行为性能更好。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是厚度为1.0mm的几种不同面积氧化铽烧结物的伏安特性曲线图中曲线a、b、c、d对应的氧化铽烧结物的面积分别为0.78cm²、0.25cm²、0.09cm²、0.04cm²。

图2是面积为0.78cm²的不同厚度氧化铽烧结物的伏安特性曲线图中曲线a、e、f、g对应的氧化铽烧结物的厚度分别为1.0mm、0.8mm、0.6mm、0.4mm。

图1、2中，横坐标为电压(V)，单位为V；纵坐标为电流(I)，单位为A。

具体实施方式

实施例

实施例一

一种氧化铽的用途，是将氧化铽粉末压片、烧结后用于制作压敏电阻的材料。其氧化铽粉末压片、烧结的具体步骤是：将氧化铽粉末中加入粘结剂造粒，在200MPa的压力下压片，在1000℃空气中保温烧结2小时，冷却到室温。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，仅仅是制备步骤中的压片、烧结条件不同：即在300MPa的压力下压片，在1100℃空气中保温烧结0.5小时。

实施例三

本实施例与实施例一基本相同，仅仅是制备步骤中的压片、烧结条件不同：在100MPa的压力下压片，在1050℃空气中保温烧结3小时。

实施例四

本实施例与实施例一基本相同，仅仅是制备步骤中的压片、烧结条件不同：在180MPa的压力下压片，在900℃空气中保温烧结1.5小时。

实施例五

本实施例与实施例一基本相同，仅仅是制备步骤中的压片、烧结条件不同：在280MPa的压力下压片，在1200℃空气中保温烧结1小时。

本发明在实施时，其压片压力和烧结温度，不局限于上述实施例的具体数值。只要能够将氧化铽颗粒压紧并烧结成陶瓷片即可。本发明使用的氧化铽原料可以是各种分子式的氧化铽；但在烧结后形成的烧结物，其分子式均为Tb₄O₇。

此外，在制备过程中，所用的粘结剂可以是聚乙烯醇、聚醋酸乙烯醇、石蜡等各种现有的粘结剂。只要能将氧化铽粉末粘结成颗粒即可。

以上方法制得的烧结物即可作为制作压敏电阻的材料。将其进行打磨，按压敏电阻的设计要求加工成相应厚度、面积和形状后，涂上电极即可制成压敏电阻。

以下的实验充分证明，用本发明的材料可制成性能良好的压敏电阻。

利用数字源表(Keithley 2400)对由本发明材料制得的压敏电阻测量其伏安特性(V-I)。

图1是厚度为1.0mm的几种不同面积氧化铽烧结物的伏安特性曲线。图中曲线a、b、c、d对应的氧化铽烧结物的面积分别为0.78cm²、0.25cm²、0.09cm²、0.04cm²。

图2是面积为0.78cm²的不同厚度氧化铽烧结物的伏安特性曲线图中曲线a、e、f、g对应的氧化铽烧结物的厚度分别为1.0mm、0.8mm、0.6mm、0.4mm。

图1、2示出，所有七个压敏电阻测试样品，当电流超过10mA时，电流随着电压的微量增加而急剧的上升，所以电流为10mA时的电压值定义为转变电压(V_b)。

压敏电阻的非线性系数(α)根据下面的公式进行计算：

$\mathrm{\α}=\frac{\log (I_2/I_1)}{\log (V_2/V_1)}$

其中，I₁＝10mA、I₂＝100mA，V₁、V₂分别为I₁、I₂对应的电压值。

能量吸收能力(E)也是压敏电阻的一个重要参数，定义为压敏电阻热破坏失效以前所吸收能量的总合。能量吸收能力(E)是根据下面的公式进行计算：

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i{I}_i\mathrm{\Δt}$

其中，V_i为测量电压，I_i为测量电压V_i所对应电流，Δt为测量电压V_i所施加时间。

压敏电阻在低于转换电压的电容值，可利用交流阻抗分析仪进行测量。相对介电常数(ε_r)根据下面的公式计算：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{c*D}{{\mathrm{\ϵ}}_0*S}$

其中，c是测得的电容值，ε₀为真空条件下的介电常数，D为压敏电阻的厚度，S为压敏电阻的面积。

根据以上的定义和公式，表1给出了图1中四个压敏电阻测试样品的性能参数值。随着面积的减小，非线性系数明显的增加，当面积S＝0.04cm²时，非线性系数为393.7。

表1

样品  (D＝1.0mm)	a  S＝0.78cm<sup>2</sup>	b  S＝0.25cm<sup>2</sup>	c  S＝0.09cm<sup>2</sup>	d  S＝0.04cm<sup>2</sup>
					转换电压(V)	67.0	98.0	111.0	170.5
非线性系数α	8.3	19.9	171.5	393.7

同样根据以上的定义和公式，表2列出了图2中四个测试四个压敏电阻测试样品的性能参数值。随着烧结物厚度的减小，转换电压明显的降低，当厚度D＝0.4mm时，转换电压为37.0V。

表2

样品  (S＝0.78cm<sup>2</sup>)	a  D＝1.0mm	e  D＝0.8mm	f  D＝0.6mm	g  D＝0.4mm
					转换电压(V)	67.0	49.0	45.5	37.0
非线性系数α	8.3	6.2	7.8	7.0

经测试：所有样品b和e的介电常数ε_r均可达到5000以上，能量吸收能力(E)均超过2000J/cm³。

综合上述结果，表3给出了本发明氧化铽压敏电阻与现有的ZnO压敏电阻主要性能的比较。

表3

	转换电压  (V)	非线性系数  α	介电常数ε<sub>r</sub>  (f＝1kHz)	能量吸收能力  E(J/cm<sup>3</sup>)
					氧化铽压敏电阻	37.0-170.5	7.0-393.7	5000-6000	＞2000
氧化锌压敏电阻	180-200	35-100	500-1500	150-270

表3表明，本发明的氧化铽压敏电阻的非线性系数与ZnO压敏电阻相当，而转变电压、介电性能、能量吸收能力明显优于现有的ZnO压敏电阻。因此本发明的氧化铽压敏电阻材料，适应现代电子技术的发展的需要，具有极其良好的应用前景。

Claims (3)

1.一种氧化铽的用途，是将氧化铽粉末压片、烧结后形成分子式为Tb4O7的烧结物用于制作压敏电阻的材料。

2.根据权利要求1所述的一种氧化铽的用途，其特征在于：所述的氧化铽粉末压片、烧结的具体步骤是：将氧化铽粉末中加入粘结剂造粒，在100～300MPa的压力下压片，在900～1200℃空气中保温烧结0.5～3小时，冷却到室温。

3.根据权利要求2所述的一种氧化铽的用途，其特征在于：所述的氧化铽粉末压片后保温烧结的温度为1050～1100℃。

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