CN101882490B - 一种稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，该材料是以分析纯钇、镧、铬和锰的氧化物为原料，采用固相混合法进行混和研磨、煅烧、研磨即得负温度系数热敏电阻粉体材料，再将粉体材料点珠成型，以铂金丝为电极引线制得热敏敏感体坯体，将坯体经过高温烧结即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料。该材料由稀土氧化物Y2O3、La2O3掺杂钙钛矿结构形成的复合陶瓷材料，是超宽温区热敏材料，采用本发明制备的热敏电阻陶瓷材料性能稳定，一致性好，老化性能稳定，适于制作超宽温区使用热敏电阻器，使用该材料制作的热敏电阻器可以用来制造机动车辆等的柴油发动机排气温度传感器，以及满足石油、地质钻探领域的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，在(0℃-1000℃)范围具有良好负温度系数特性，可用于制造以柴油发动机排气温度传感器为代表的可超宽温区使用传感器的新型热敏电阻材料。
背景技术
宽温区热敏电阻在汽车工业、石油、地质钻探都有重要的应用，随着测量系统精密度的不断升级，对测温传感器的精度、可靠性、小型化等方面的要求也不断提高。如用于机动车辆等的柴油发动机排气温度测控系统的温度传感器，排气温度传感器是柴油发动机机动车辆的现场诊断系统的信息源，它用于监测尾气在循环和涡轮增压器的温度，通过监测和控制黑烟过滤器内和选择性催化还原的蓄热等，以确保最大的催化效率，它在提高机动车辆的燃料利用率和节能减排方面具有重要作用。这类温度传感器需要在0℃-1000℃范围内实现实时准确测温，而目前用于柴油发动机燃烧控制系统的排气温度传感器是铂电阻型温度传感器，而且产品主要依赖进口。但由于铂材料在850℃以上自身的线性化难以实现，实际上精度是难以保障的。国内的铂电阻型温度传感器最高工作温度只能达到500℃-600℃，目前的技术还无法实现高至1000℃的实时测温。进口产品也是在近几年，可以基本实现最高至850℃的温度测量，在200℃至850℃范围内的测温精度为±1.5％，即：精度由200℃时的±3℃逐渐增加，在850℃精度为±12.75℃。因此开发一种能够在0℃-1000℃范围内实现实时准确测温的传感器，是柴油发动机系统优化改造、提高其现场分析诊断系统准确性亟待解决的关键技术之一。而热敏电阻的主要特点是温度灵敏度高、响应快、寿命长，还具有体积小，结构简单的优点，只是目前的热敏电阻使用温区一般都落在(-50℃-500℃)范围内，其关键技术瓶颈在于获得一种可实现宽温区温度测量并且高温下性能稳定的新型热敏电阻材料。
而获得测温范围在(0℃-1000℃)的超宽温区热敏材料的关键就是获得低B值高阻值且高温稳定性良好的热敏材料。几乎所有研究结果均表明，主晶相为尖晶石结构的NTC热敏半导瓷材料，其电阻率大时，B值也大，反之，电阻率小的材料，B值也小，所以这类材料难以获得低B高阻特性。要求的工作温区越宽，低B高阻特性越难以达到。
本发明采用稀土氧化物Y2O3、La2O3对钙钛矿结构YCrxMn1-xO3(x＝0.2-0.8)材料进行掺杂形成新型的低B值高阻值负温度系数热敏电阻材料。本发明在(0℃-1000℃)范围具有明显负温度系数特性，材料体系电性能稳定，一致性好，老化性能稳定，适于制造超宽温区使用热敏电阻器。
发明内容
本发明目的在于提供一种稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，该材料是以分析纯钇、镧、铬和锰的氧化物为原料，采用固相混合法进行混和研磨、煅烧、研磨即得负温度系数热敏电阻粉体材料，再将粉体材料点珠成型，以铂金丝为电极引线制得热敏敏感体坯体，将坯体经过高温烧结即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料。该材料由稀土氧化物Y2O3、La2O3掺杂钙钛矿结构YCrxMn1-xO3(x＝0.2-0.8)形成的复合陶瓷材料，测温范围在(0℃-1000℃)，是超宽温区热敏材料，使用该材料制作的热敏电阻器可以用来制造机动车辆等的柴油发动机排气温度传感器，以及满足石油、地质钻探领域的相应需求。
本发明所述的稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，该热敏电阻材料是以分析纯钇、镧、铬和锰的氧化物为原料，采用固相混合法将钇、镧、铬、锰氧化物进行混和研磨、煅烧、研磨即得负温度系数热敏电阻粉体材料，再将粉体材料点珠成型，以铂金丝为电极引线制得热敏敏感体坯体，将坯体经过高温烧结即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，其中钇、铬和锰的摩尔比为：钇∶铬∶锰＝140-180∶48-4∶4-48，镧的掺杂量为质量百分比0.1％-5％。
所述的稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料中分析纯钇、镧、铬和锰的氧化物为三氧化二钇、三氧化二镧、三氧化二铬、二氧化锰。
所述的稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，为稀土氧化物Y2O3、La2O3与钙钛矿结构YCrxMn1-xO3，x＝0.2-0.8形成的复合材料。
所述的稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料的制备方法，按下列步骤进行：
a、分别称取分析纯钇、镧、铬和锰的氧化物进行混合，研磨6-10小时，使之均匀；
b、将步骤a中研磨好的粉体在温度900℃-1200℃煅烧1-3小时；
c、将步骤b中煅烧好的材料研磨7-12小时；
d、将步骤c中研磨好的材料，滴入粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d中成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1200℃-1700℃温度下进行烧结，并保温3-5小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1000℃-1200℃，保温时间为100-150小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝0.5-10MΩ±10％，R1000℃＝25-1000Ω±10％。
步骤d中的粘合剂为淀粉和水调制成的粘合剂。
本发明所述的稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，其性能稳定，一致性好，老化性能稳定，将得到的热敏电阻材料经老化后进行封装，即可得到超宽温区使用热敏电阻器。将敏感体封装后获得的热敏电阻器，在(0℃-1000℃)范围具有明显的负温度系数特性，是一种适用于制造以柴油发动机排气温度传感器为代表的可超宽温区使用传感器的新型热敏电阻材料。
具体实施方式
实施例1
a、按摩尔比140∶12∶48分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比0.1％，进行混合，研磨8小时，使之均匀；
b、将步骤a中研磨好的粉体在温度1200℃煅烧2小时；
c、将步骤b中煅烧好的材料研磨7小时；
d、将步骤c中研磨好的材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d中成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在温度1700℃下进行烧结，并保温3小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1200℃，保温时间为150小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
实施例2
a、按摩尔比140∶48∶12分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比0.5％，进行混合，研磨6小时，使之均匀；
b、将步骤a中研磨好的粉体在温度1100℃煅烧1小时；
c、将步骤b中煅烧好的材料研磨10小时；
d、将步骤c中研磨好的材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d中成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1600℃温度下进行烧结，并保温4小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1100℃，保温时间为120小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
实施例3
a、按摩尔比180∶4∶16分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比3％，进行混合，研磨6小时，使之均匀；
b、将步骤a中研磨好的粉体在1000℃煅烧3小时；
c、将步骤b中煅烧好的材料研磨12小时；
d、将步骤c中研磨好的热敏电阻材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d中成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1400℃温度下进行烧结，并保温5小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1050℃，保温时间为120小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
实施例4
a、按摩尔比180∶16∶4分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比5％进行混合，研磨10小时，使之均匀；
b、将步骤a中研磨好的粉体在温度900℃煅烧2小时；
c、将步骤b中煅烧好的材料研磨12小时；
d、将步骤c中研磨好的热敏电阻材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d中成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1200℃温度下进行烧结，并保温3.5小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1000℃，保温时间为100小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
实施例5
a、按摩尔比150∶24∶36分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比0.4％，进行混合，研磨8小时，使之均匀；
b、将步骤a研磨好的粉体在1100℃煅烧3小时；
c、将步骤b煅烧好的材料研磨7小时；
d、将步骤c研磨好的材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体中；
e、将步骤d中成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1500℃温度下进行烧结，并保温4小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1150℃-1200℃，保温时间为140小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
实施例6
a、按摩尔比160∶36∶24分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比0.8％，进行混合，研磨10小时，使之均匀；
b、将步骤a研磨好的粉体在温度1200℃煅烧2小时；
c、将步骤b煅烧好的材料研磨7小时；
d、将步骤c研磨好的材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d中成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1600℃温度下进行烧结，并保温5小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1200℃，保温时间为108小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
实施例7
a、按摩尔比170∶8∶12分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比0.3％，进行混合，研磨7小时，使之均匀；
b、将步骤a研磨好的粉体在1100℃煅烧3小时；
c、将步骤b煅烧好的材料研磨8小时；
d、将步骤c研磨好的材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体中；
e、将步骤d成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1550℃温度下进行烧结，并保温3小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1100℃，保温时间为132小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
实施例8
a、按摩尔比180∶12∶8分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比0.4％，进行混合，研磨10小时，使之均匀；
b、将步骤a研磨好的粉体在温度1200℃煅烧1小时；
c、将步骤b煅烧好的材料研磨12小时；
d、将步骤c研磨好的材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1700℃温度下进行烧结，并保温3小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1200℃，保温时间为144小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
实施例9
a、按摩尔比150∶25∶25分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比0.6％，进行混合，研磨6小时，使之均匀；
b、将步骤a研磨好的粉体在1200℃煅烧2小时；
c、将步骤b煅烧好的材料研磨8小时；
d、将步骤c研磨好的材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1650℃温度下进行烧结，并保温5小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1200℃，保温时间为150小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
实施例10
a、按摩尔比155∶22.5∶22.5分别称取分析纯三氧化二钇、三氧化二铬和二氧化锰，三氧化二镧掺杂量为质量百分比1％，进行混合，研磨8小时，使之均匀；
b、将步骤a研磨好的粉体在1200℃煅烧3小时；
c、将步骤b煅烧好的材料研磨10小时；
d、将步骤c研磨好的材料，滴入淀粉和水调制的粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1600℃温度下进行烧结，并保温4小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1180℃，保温时间为135小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝(0.5-10)MΩ±10％，R1000℃＝(25-1000)Ω±10％。
Claims (4)
1.一种稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，其特征在于该热敏电阻材料是以分析纯钇、镧、铬和锰的氧化物为原料，采用固相混合法将钇、镧、铬、锰氧化物进行混和研磨、煅烧、研磨即得负温度系数热敏电阻粉体材料，再将粉体材料点珠成型，以铂金丝为电极引线制得热敏敏感体坯体，将坯体经过高温烧结即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，其中钇、铬和锰的摩尔比为：钇∶铬∶锰＝140-180∶48-4∶4-48，镧的掺杂量为质量百分比0.1％-5％，该热敏电阻材料为稀土氧化物Y2O3、La2O3与钙钛矿结构YCrxMn1-xO3，x＝0.2-0.8形成的复合材料。
2.根据权利要求1所述的稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料，其特征在于分析纯钇、镧、铬和锰的氧化物为三氧化二钇、三氧化二镧、三氧化二铬、二氧化锰。
3.根据权利要求1所述的稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：
a、分别称取分析纯钇、镧、铬和锰的氧化物进行混合，研磨6-10小时，使之均匀；
b、将步骤a中研磨好的粉体在温度900℃-1200℃煅烧1-3小时；
c、将步骤b中煅烧好的材料研磨7-12小时；
d、将步骤c中研磨好的材料，滴入粘合剂调制成糊状物，以铂金丝为电极将糊状物成型为珠状坯体；
e、将步骤d中成型好的珠状坯体装入耐高温坩埚中，放入高温烧结炉中在1200℃-1700℃温度下进行烧结，并保温3-5小时，即可得到稀土氧化物掺杂负温度系数热敏电阻材料；
f、再将步骤e得到的热敏电阻材料进行高温老化性能测试，温度控制在1000℃-1200℃，保温时间为100-150小时，测得材料常数为B25℃/150℃＝3200K-4200K±10％，B700℃/1000℃＝6000K-8000K±10％，电阻值为R25℃＝0.5-10MΩ±10％，R1000℃＝25-1000Ω±10％。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤d中的粘合剂为淀粉和水调制成的粘合剂。
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