CN102701731B - 一种用于温度检测器的温敏陶瓷材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于温度检测器的新型温敏陶瓷材料。其陶瓷粉体的通式为Pb_xSr_1-xTiO₃+aAl₂O₃+bSiO₂+cPbO，其中，x=0.10~0.20，a=0.0002~0.001，b=0.001~0.006，c=0.015~0.075。本发明以传统固相法和溶胶-凝胶法制备，所得的温敏陶瓷材料测试温度范围宽，线性度好，成本低，能够精确地指示温度的变化，并且通过改变Pb/Sr比可以调节测试温度范围，其制造方法工艺简单，生产效率高，适于工业化生产。

Description

一种用于温度检测器的温敏陶瓷材料

技术领域

本发明涉及一种新型温敏陶瓷材料，特别是用于-70℃~100℃范围的温敏陶瓷材料，属于无机非金属材料领域。 

背景技术

近年来，随着生产过程自动化程度的逐渐提高, 对测控元件的精度及测控范围提出了更高的要求, 因此作为测控元件的新型敏感材料的研制已成为材料领域关注的课题。温度的测量与控制在自动化领域中有着极其重要的地位, 其测控元件称之为温敏传感器。温敏传感器（温度传感器）是对温度敏感，将温度变化转换为电量变化的装置，是具有可重复性和规律性的一种传感器，利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特征达到测量目的。如热电偶传感器和热电阻传感器。 

热电偶温度传感器是利用导体的“热电效应”制作的仪器，其敏感元件是热电偶。热电偶由两根不同的导体或半导体一端焊接或绞接而成。热电偶温度传感器有自己的缺陷，它灵敏度比较低，热响应慢，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化，同时成本比较高。热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。热电阻温度传感器的阻值与温度的关系非线性严重，且由于其制备材料多为金属，性质比较活泼，因此制成的元件易被腐蚀，易老化，稳定性较差。 

钛酸锶铅陶瓷因其具有优良的铁电和介电性能而广泛用于各种电子元器件的制造，常用的制备方法主要有溶胶-凝胶法，固相反应法以及共沉淀法。钛酸锶铅陶瓷具有很高的介电常数，但是其介电常数值不稳定，在居里温度处介电常数达到最大值，当温度高于居里温度时，介电常数值将随着温度上升按居里-韦斯定律下降，不具有线性关系。文献中关于钛酸锶铅陶瓷的报道集中于铁电、介电及PTC效应等性质的研究，基于介电常数随温度的变化关系而在测温方面的研究，以及采用Al₂O₃-SiO₂-PbO复合组分对钛酸锶铅陶瓷进行掺杂改性的研究未见报道。 

发明内容

本发明的目的是提供一种材料介电常数与温度线性关系良好，能够在较宽的温度范围内指示温度变化，具有良好的稳定性，并且测试温度范围可调的新型温敏陶瓷材料。 

本发明另一目的是提供一种制备工艺简单，生产效率高，且适于工业化生产的上述新型温敏陶瓷材料的制备方法。 

本发明的实现过程如下： 

通式Pb_xSr_1-xTiO₃+aAl₂O₃+bSiO₂+cPbO所示的陶瓷粉体，其中，x=0.10~0.20，a=0.0002~0.001，b=0.001~0.006，c=0.015~0.075。

上述陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤： 

(1) 按化学计量比将钛酸四丁酯和正硅酸乙酯溶于冰醋酸；

(2) 上述溶液与铅、锶和铝金属盐的水溶液混合，搅拌得到浅黄色透明溶胶；

(3) 溶胶搅拌至凝胶，静置陈化，于70-120℃干燥得到干凝胶粉；

(4)  干凝胶粉在700~1000℃煅烧0.5~2h得到陶瓷粉体。

上述步骤（2）中，所述铅、锶和铝金属盐以硝酸盐或者醋酸盐的形式加入。 

上述陶瓷粉体进一步经造粒、压片，在1100~1350℃烧结1~6小时得到陶瓷材料。 

上述陶瓷粉体还可采用固相法制备，包括以下步骤： 

按化学计量比分别称取SrCO₃，TiO₂和PbO，以蒸馏水为介质球磨后烘干，800~900℃煅烧得到主晶相粉体，按化学计量比将主晶相粉体与Al₂O₃、SiO₂和PbO加水形成浆料，球磨即可。

本发明所述的陶瓷粉体的制备方法不限于溶胶-凝胶法和传统固相法，还可以采用共沉淀法和水热法。 

本发明制备的陶瓷材料可作为温度检测器，其工作原理如下：将制备好的陶瓷材料接入被测电路中，由于陶瓷介质材料周围温度的变化，引起陶瓷材料介电常数的变化，从而根据介电常数变化的大小可以直接转换测出温度变化的大小，达到测量温度、作为传感器的目的。本发明特别适用于-70~100℃的温度范围，但并不仅限于这个温度范围。通过改变Pb/Sr比可以灵活调整测试温度范围，增加1mol%的Pb，可将居里温度向高温移动约7℃，而增加1mol%的Sr，则会将居里温度向低温移动约7℃。 

本发明的优点与有益效果：（1）本发明在-70~100℃之间，介电常数与温度有良好的线性度关系，能够精确指示温度的变化，具有温度测量精度高、线性度好、一致性好和性能稳定可靠的优点。（2）由于材料是采用陶瓷粉体烧结而成，具有优良的抗腐蚀性和稳定性。（3）采用传统固相法或溶胶-凝胶法合成温敏陶瓷粉体，操作简便易行、烧结工艺简单、原料廉价。 

附图说明

图1 实施例1和2样品的XRD图； 

图2 实施例1和2样品的SEM图；

图3 实施例1和2样品的介电常数随温度变化的特性曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。 

实施例1：采用传统固相法制备化学组成为Pb_0.10Sr_0.90TiO₃+0.0005Al₂O₃+0.003SiO₂+ 0.037PbO的温敏陶瓷粉体及温敏陶瓷材料，步骤如下： 

（1）按化学式Pb_0.10Sr_0.90TiO₃分别称取5.6068g SrCO₃，3.2986g TiO₂，1.0151g PbO；

（2）以蒸馏水为介质球磨6-48h，烘干后，850℃煅烧保温2h，得到主晶相粉体；

（3）温敏陶瓷的制备

分别称取5.0000g主晶相粉体、0.0025g Al₂O₃、0.015g SiO₂和0.185g PbO，加水形成浆料，以玛瑙球为球磨介质进行球磨，球磨时间为6-48h；

将球磨干燥后的样品加入PVA混合造粒，于4MPa压力下压制成8mm的圆片，于1200-1300℃进行烧结并保温6h，制成陶瓷。陶瓷样品的XRD图和SEM图分别如图1和图2中1#所示，样品的介电常数温度特性图见图3中的1#，从图3可见，所制备的材料介电常数随温度的变化具有良好的线性度，能够精确指示温度的变化。

实施例2 

制备组成为：Pb_0.10Sr_0.90TiO₃+0.0005Al₂O₃+0.003SiO₂+0.037PbO的陶瓷粉体，采用溶胶-凝胶一步法制备粉体及温敏陶瓷材料，具体步骤如下：

（1）称取钛酸四丁酯38.2688g，正硅酸乙酯0.2278g，加入35ml冰醋酸，搅拌均匀；

（2）称量三水醋酸铅6.0741g，醋酸锶21.8394g，九水硝酸铝0.0813g，用90ml去离子水溶解，与步骤（1）溶液混合搅拌，室温反应0.5h，得到浅黄色透明溶胶；

（3）将溶胶搅拌至凝胶化，静置陈化，于90℃干燥得到干凝胶粉;

（4）将步骤（3）凝胶粉在800℃煅烧1h得到温敏陶瓷粉体；

（5）将步骤（4）温敏陶瓷粉体经造粒、压片，在1300℃烧结2h得到陶瓷片，涂覆银浆后烧银并焊接引线即得到温敏陶瓷元件。

    由图1中2#的XRD图可以看出，通过1300℃烧结的陶瓷为典型的钙钛矿结构，相应的SEM图和介温曲线依次见图2和图3中2#所示。由图3可以看出，样品的介电常数与温度有良好的线性关系，能够很好地指示温度的变化。 

实施例3 

采用溶胶-凝胶一步法可制备得到组成为Pb_0.15Sr_0.85TiO₃+0.0008Al₂O₃+0.004SiO₂+0.065PbO的温敏陶瓷粉体。

制备方法与实施例2类似，不同之处在于，步骤（3）凝胶粉在900℃煅烧1h得到温敏陶瓷粉体，然后经造粒、压片，在1250℃烧结3h得到陶瓷片，涂覆银浆后烧银并焊接引线即得到温敏陶瓷元件。 

Claims (7)

1.通式Pb_xSr_1-xTiO₃+aAl₂O₃+bSiO₂+cPbO表示的陶瓷粉体，其中，x=0.10~0.20，a=0.0002~0.001，b=0.001~0.006，c=0.015~0.075。

2.权利要求1所述陶瓷粉体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）按化学计量比将钛酸四丁酯和正硅酸乙酯溶于冰醋酸；

（2）上述溶液与铅、锶和铝金属盐的水溶液混合，搅拌得到浅黄色透明溶胶；

（3）溶胶搅拌至凝胶，静置陈化，于70-120℃干燥得到干凝胶粉;

（4）干凝胶粉在700~1000℃煅烧0.5~2h得到陶瓷粉体。

3.根据权利要求2所述陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述铅、锶和铝金属盐为硝酸盐或醋酸盐。

4.权利要求1所述陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：按化学计量比分别称取SrCO₃，TiO₂和PbO，以蒸馏水为介质球磨后烘干，800~900℃煅烧得到主晶相粉体，按化学计量比将主晶相粉体与Al₂O₃、SiO₂和PbO加水形成浆料，球磨即可。

5.一种陶瓷材料，其特征在于：将权利要求1所述的陶瓷粉体进一步经造粒、压片，在1100~1350℃烧结1~6小时。

6.权利要求1所述陶瓷粉体在温度检测器中的应用。

7.根据权利要求6所述应用，其特征在于：温度检测范围为-70℃~100℃。

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