CN104496467A - 高居里温度bt-bkt体系无铅ptcr陶瓷材料及制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料,该材料由钛酸钡、钛酸铋钾、硝酸锰、硝酸铝、二氧化硅和硝酸镧组成,该材料的化学式为:该材料的化学式为(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,其中0≤x<0.05;每制备1mol(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3掺入0.00034~0.00038mol的硝酸锰、0.0015~0.0025mol的硝酸铝、0.0075~0.0085mol的二氧化硅和0.001~0.0015mol的硝酸镧。本发明中采用溶胶-凝胶法制备,其中的BKT(钛酸铋钾)含量为4mol%时,该陶瓷材料在空气中烧结依然具有良好的PTC性能,且居里温度明显增高。有该材料制得的热敏电阻,其室温电阻率为25~1.1×104Ω·cm,居里温度为114~143℃,升阻比为3.07~3.76。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子陶瓷,尤其涉及一种采用溶胶凝胶法制备高居里温度BT-BKT体系PTCR陶瓷材料的方法。
背景技术
PTCR效应是在一个特定的温度上电阻的电阻率突然增加几个数量级。该效应在电子、机械、医疗卫生、农业、家用电器等各个领域有着极为广泛的应用。目前,商用PTCR元件大多采用掺杂钛酸钡基半导体陶瓷。钛酸钡基半导体陶瓷的PTCR效应是电阻在居里温度附近随着正方相到立方相的转变而突跳。但是,我们知道,纯BaTiO3的居里温度是120℃,所以BaTiO3基PTCR陶瓷的应用温度被限制在120℃以下。为了提高BaTiO3基PTCR陶瓷材料的居里温度以及扩大它的应用温度范围,市场上基本都采用PbTiO3加入到BaTiO3中。但铅的毒性和挥发性使含铅PTCR材料在制造、生产、使用和回收整个过程中危害人类的身体健康及产生环境污染。随着各国对含铅材料使用的限制,人们一直试图研究出新的环保型无铅高居里温度(Tc>120℃)的PTCR材料。尽管很多文献已经指出(Bi0.5Na0.5)TiO3、(Bi0.5K0.5)TiO3能够很大程度的提高BaTiO3基PTCR陶瓷的居里温度,但是这仍远远达不到工业应用的要求。在之前的研究中我们采用溶胶凝胶法制备了BT-BNT无铅PTCR材料,由于制备出来的材料高纯度、高均匀性,因此成功的提高了能够在空气气氛中烧结半导化的BNT含量。众所周知,BKT的居里温度(380℃)比BNT(320℃)更高。因此,采用溶胶凝胶法制备的BT-BKT陶瓷具有非常重要的意义。
发明内容
针对现有技术,克服目前制备BT-BKT(钛酸钡-钛酸铋钾)体系无铅PTCR材料技术的缺点与不足,提出一种采用溶胶-凝胶法制备高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料的方法。
为了解决上述技术问题,本发明提出的一种高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料,该材料由钛酸钡、钛酸铋钾、硝酸锰、硝酸铝、二氧化硅和硝酸镧组成,该材料的化学式为(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,其中0≤x<0.05;每制备1mol(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3掺入:0.00034~0.00038mol的硝酸锰、0.0015~0.0025mol的硝酸铝、0.0075~0.0085mol的二氧化硅和0.001~0.0015mol的硝酸镧。
进一步讲,x=0、0.01、0.02、0.03或0.04。
制备上述高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料的方法,是以酞酸丁酯、硝酸钡、硝酸秘、硝酸钾、硝酸锰、硝酸镧、硝酸铝、正硅酸乙酯、柠檬酸、无水乙醇、氨水、尿素、蒸馏水作为原料;其中,酞酸丁酯作为钛源,硝酸钡作为钡源,硝酸钾和硝酸铋作为钾源和铋源,硝酸锰作为掺杂剂,硝酸镧作为半导化剂,硝酸铝和正硅酸乙酯作为烧结助剂,柠檬酸作为络合剂,无水乙醇和蒸馏水作为溶剂,尿素可以保持pH不变。
制备步骤如下:
步骤一、按照柠檬酸:蒸馏水的摩尔比为1:15~25称量柠檬酸溶于蒸馏水中,并放入70℃~90℃水浴锅中加热,直至全部溶解为止,作为溶液A;
步骤二、按照酞酸丁酯:酒精的摩尔比为1:8~12量取酞酸丁酯溶于酒精中,作为溶液B;
步骤三、按照柠檬酸:酞酸丁酯的摩尔比为2:1量取A溶液和B溶液,加入氨水调节溶液A的pH到7~9,将溶液B逐渐加入到溶液A中,在70℃~90℃水浴锅中加热搅拌1h,密封,沉淀溶解后,加入4g尿素;
步骤四、按照摩尔比每制备1mol的(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3向容器中依次加入(1-x)mol硝酸钡、(0.5x)mol硝酸铋、(0.5x)mol硝酸钾、0.00034~0.00038mol硝酸锰、0.002~0.0025mol硝酸镧、0.003~0.005mol硝酸铝、0.0075~0.0085正硅酸乙酯,继续在70℃~90℃水浴锅中加热直至溶液透明,然后蒸发溶剂,直至形成透明的凝胶;
步骤五、将步骤四制得的透明凝胶在100℃~120℃烘箱中干燥48h,取出后磨成干凝胶粉末;
步骤六、将步骤五制得的干凝胶粉末在750℃~850℃煅烧1~2h,得到白色粉末;
步骤七、取步骤六制备的白色粉末,向该白色粉末中加质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂,混合均匀后进行造粒,造粒后通过40目筛分,然后在压力机上以压力100~150MPa压制成圆片,将成型片叠放在有二氧化锆垫料的氧化铝垫板上,相邻成型片之间用二氧化锆粉隔开,然后放入高温电炉中烧结,升温速率控制在400℃/h,升温至1280℃~1300℃下烧结20min~60min,其中在150℃和200℃保温30min以排水,排胶,然后随炉降温至室温;制得BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料。
将本发明的高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料作为热敏电阻,是将制备得到的烧结片的两面均匀的涂覆上一层铝浆料,在温度500~850℃下烧渗10~20min制备铝电极,最终得到热敏电阻,该热敏电阻的室温电阻率为25~1.1×104Ω·cm,居里温度为114~143℃,升阻比为3.07~3.76。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
传统的固相反应法制备的PTCR陶瓷组分不均匀而且粒径分布大,从而使得陶瓷的PTC性能较差。因此,采用固相反应法制备的BKT含量高于2mol%的BT-BKT陶瓷很难在空气气氛烧结情况下半导化,需要在还原气氛下烧结。本发明是采用溶胶-凝胶法制备高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料,其中的BKT(钛酸铋钾)含量为4mol%时,该陶瓷材料在空气中烧结依然具有良好的PTC性能,且居里温度明显增高。
本发明可制备粉体粒径范围小(70~100nm),纯度高,陶瓷结构致密(如附图4所示)的无铅PTCR材料。
附图说明
图1为本发明实施例2中0.99BaTiO3-0.01(Bi0.5K0.5)TiO3无铅PTCR的XRD图谱。
图2为本发明实施例2中0.99BaTiO3-0.01(Bi0.5K0.5)TiO3粉体的SEM图谱。
图3为本发明实施例3中0.98BaTiO3-0.02(Bi0.5K0.5)TiO3无铅PTCR陶瓷的电阻率-温度曲线。
图4为本发明实施例5中0.96BaTiO3-0.04(Bi0.5K0.5)TiO3无铅PTCR陶瓷的SEM图谱。
具体实施方式
下面通过具体实施案例对本发明做具体的说明。下面所提供的具体实施案例是为了更加系统的了解本发明,而不是限制本发明。
本发明一种高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料,该材料由钛酸钡、钛酸铋钾、硝酸锰、硝酸铝、二氧化硅和硝酸镧组成,该材料的化学式为(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,其中0≤x<0.05;每制备1mol(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3掺入:0.00034~0.00038mol的硝酸锰、0.0015~0.0025mol的硝酸铝、0.0075~0.0085mol的二氧化硅和0.001~0.0015mol的硝酸镧。
制备上述陶瓷材料是以酞酸丁酯、硝酸钡、硝酸秘、硝酸钾、硝酸锰、硝酸镧、硝酸铝、正硅酸乙酯、柠檬酸、无水乙醇、氨水、尿素、蒸馏水作为原料;其中,酞酸丁酯作为钛源,硝酸钡作为钡源,硝酸钾和硝酸铋作为钾源和铋源,硝酸锰作为掺杂剂,硝酸镧作为半导化剂,硝酸铝和正硅酸乙酯作为烧结助剂,柠檬酸作为络合剂,无水乙醇和蒸馏水作为溶剂,尿素可以保持pH不变。
本发明实施例和对比例获得的测试数据是采用阻温测试仪测试BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料热敏电阻在25℃~300℃的电阻随着温度的变化曲线。
实施例1:制备高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料的热敏电阻,该材料为(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,取x=0,按照上述摩尔比配料,具体步骤为:
步骤一、按照柠檬酸:蒸馏水的摩尔比为1:15称量柠檬酸溶于蒸馏水中,并放入80℃水浴锅中加热,直至全部溶解为止,作为溶液A;
步骤二、按照酞酸丁酯:酒精=1:8的摩尔比量取酞酸丁酯溶于酒精中,作为溶液B;
步骤三、按照柠檬酸:酞酸丁酯=2:1的摩尔比量取溶液A和溶液B,加入氨水调节溶液A的pH到7,将溶液B逐渐加入到溶液A中,在80℃水浴锅中加热搅拌1h,密封,沉淀溶解后,加入4g尿素;
步骤四、按照摩尔比每制备1mol的(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3向容器中依次加入1mol硝酸钡、0.00036mol硝酸锰、0.002mol硝酸镧、0.0038mol硝酸铝、0.0079正硅酸乙酯,继续在80℃水浴锅中加热直至溶液透明,然后蒸发溶剂,直至形成透明的凝胶;
步骤五、将步骤四制得的透明凝胶在100℃烘箱中干燥48h,取出后磨成干凝胶粉末;
步骤六、将步骤五制得的干凝胶粉末在800℃煅烧1h,得到白色粉末;
步骤七、取步骤六制备的白色粉末,向该白色粉末中加质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂,混合均匀后进行造粒,造粒后通过40目筛分,然后在压力机上以压力120MPa压制成圆片,将成型片叠放在有二氧化锆垫料的氧化铝垫板上,相邻成型片之间用二氧化锆粉隔开,然后放入高温电炉中烧结,升温速率控制在400℃/h,升温至1280℃下烧结20min,其中在150℃和200℃保温30min以排水,排胶,然后随炉降温至室温;制得BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料。
步骤八、将步骤七制备得到的烧结片的两面均匀的涂覆上一层铝浆料,在温度580℃下烧渗10min制备铝电极,最终得到热敏电阻。
用阻温-容温测试仪测量电阻率-温度曲线,并得到室温电阻率,居里温度和升阻比。经过测试该无铅PTCR陶瓷材料热敏电阻的室温电阻率为25Ω·cm,居里温度为114℃,升阻比为3.44。
实施例2:制备高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料的热敏电阻,该材料为(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,取x=0.01,按照上述摩尔比配料,制备步骤与实施例1基本相同,不同仅为:
步骤四、按照摩尔比每制备1mol的(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3向容器中依次加入0.99mol硝酸钡、0.005mol硝酸铋、0.005mol硝酸钾、0.00036mol硝酸锰、0.002mol硝酸镧、0.0038mol硝酸铝、0.0079正硅酸乙酯,继续在80℃水浴锅中加热直至溶液透明,然后蒸发溶剂,直至形成透明的凝胶。
图1是本实施例0.99BaTiO3-0.01(Bi0.5K0.5)TiO3无铅PTCR的XRD图谱。图2为本实施例中0.99BaTiO3-0.01(Bi0.5K0.5)TiO3粉体的SEM图谱。将实施例2制得的PTCR陶瓷材料热敏电阻,经过测试其室温电阻率为53Ω·cm,居里温度为124℃,升阻比为3.88。
实施例3:制备高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料的热敏电阻,该材料为(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,取x=0.02,按照上述摩尔比配料,制备步骤与实施例1基本相同,不同仅为:
步骤四、按照摩尔比每制备1mol的(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3向容器中依次加入0.98mol硝酸钡、0.01mol硝酸铋、0.01mol硝酸钾、0.00036mol硝酸锰、0.002mol硝酸镧、0.0038mol硝酸铝、0.0079正硅酸乙酯,继续在80℃水浴锅中加热直至溶液透明,然后蒸发溶剂,直至形成透明的凝胶。
图3是本实施例中0.98BaTiO3-0.02(Bi0.5K0.5)TiO3无铅PTCR陶瓷的电阻率-温度曲线。将实施例3制得的PTCR陶瓷材料热敏电阻,经过测试其室温电阻率为909Ω·cm,居里温度为130℃,升阻比为3.09。
实施例4:制备高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料的热敏电阻,该材料为(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,取x=0.03,按照上述摩尔比配料,制备步骤与实施例1基本相同,不同仅为:
步骤四、按照摩尔比每制备1mol的(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3向容器中依次加入0.97mol硝酸钡、0.015mol硝酸铋、0.015mol硝酸钾、0.00036mol硝酸锰、0.002mol硝酸镧、0.0038mol硝酸铝、0.0079正硅酸乙酯,继续在80℃水浴锅中加热直至溶液透明,然后蒸发溶剂,直至形成透明的凝胶。
将实施例4制得的PTCR陶瓷材料热敏电阻,经过测试PTCR陶瓷材料的室温电阻率为1561Ω·cm,居里温度为137℃,升阻比为3.07。
实施例5:制备高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料的热敏电阻,该材料为(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,取x=0.04,按照上述摩尔比配料,制备步骤与实施例1基本相同,不同仅为:
步骤四、按照摩尔比每制备1mol的(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3向容器中依次加入0.96mol硝酸钡、0.02mol硝酸铋、0.02mol硝酸钾、0.00036mol硝酸锰、0.002mol硝酸镧、0.0038mol硝酸铝、0.0079正硅酸乙酯,继续在80℃水浴锅中加热直至溶液透明,然后蒸发溶剂,直至形成透明的凝胶。
图4为本实施例中0.96BaTiO3-0.04(Bi0.5K0.5)TiO3无铅PTCR陶瓷的SEM图谱。将实施例5制得的PTCR陶瓷材料热敏电阻,经过测试PTCR陶瓷材料的室温电阻率为1.1×104Ω·cm,居里温度为143℃,升阻比为3.76。
对比例:制备高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料,该材料为:
(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,取x=0.05,按照上述摩尔比配料,制备步骤与实施例1基本相同,不同仅为:
步骤四、按照摩尔比每制备1mol的(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3向容器中依次加入0.95mol硝酸钡、0.025mol硝酸铋、0.025mol硝酸钾、0.00036mol硝酸锰、0.002mol硝酸镧、0.0038mol硝酸铝、0.0079正硅酸乙酯,继续在80℃水浴锅中加热直至溶液透明,然后蒸发溶剂,直至形成透明的凝胶。
将对比例制得的PTCR陶瓷材料做成电阻,经过测试PTCR陶瓷材料的室温电阻率>107Ω·cm,为介质材料,没有PTC特性。
综上,本发明制备方法中,通过控制硝酸钡、硝酸铋、硝酸钾的加入量,使制成的热敏电阻的室温电阻率为25~1.1×104Ω·cm,居里温度为114~143℃,升阻比为3.07~3.76。
尽管上面结合图对本发明进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨的情况下,还可以作出很多变形,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料,其特征在于:
该材料由钛酸钡、钛酸铋钾、硝酸锰、硝酸铝、二氧化硅和硝酸镧组成,
该材料的化学式为(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3,其中0≤x<0.05;
每制备1mol(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3掺入:0.00034~0.00038mol的硝酸锰、0.0015~0.0025mol的硝酸铝、0.0075~0.0085mol的二氧化硅和0.001~0.0015mol的硝酸镧。
2.根据权利要求1所述高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料,其特征在于:x=0、0.01、0.02、0.03或0.04。
3.一种制备如权利要求1所述高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料的方法,其中是以:酞酸丁酯作为钛源,硝酸钡作为钡源,硝酸钾和硝酸铋作为钾源和铋源,硝酸锰作为掺杂剂,硝酸镧作为半导化剂,硝酸铝和正硅酸乙酯作为烧结助剂,柠檬酸作为络合剂;其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、按照柠檬酸:蒸馏水的摩尔比为1:15~25称量柠檬酸溶于蒸馏水中,并放入70℃~90℃水浴锅中加热,直至全部溶解为止,作为溶液A;
步骤二、按照酞酸丁酯:酒精的摩尔比为1:8~12量取酞酸丁酯溶于酒精中,作为溶液B;
步骤三、按照柠檬酸:酞酸丁酯的摩尔比为2:1量取A溶液和B溶液,加入氨水调节溶液A的pH到7~9,将溶液B逐渐加入到溶液A中,在70℃~90℃水浴锅中加热搅拌1h,密封,沉淀溶解后,加入4g尿素;
步骤四、按照摩尔比每制备1mol的(1-x)BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3向容器中依次加入(1-x)mol硝酸钡、(0.5x)mol硝酸铋、(0.5x)mol硝酸钾、0.00034~0.00038mol硝酸锰、0.002~0.0025mol硝酸镧、0.003~0.005mol硝酸铝、0.0075~0.0085正硅酸乙酯,继续在70℃~90℃水浴锅中加热直至溶液透明,然后蒸发溶剂,直至形成透明的凝胶;
步骤五、将步骤四制得的透明凝胶在100℃~120℃烘箱中干燥48h,取出后磨成干凝胶粉末;
步骤六、将步骤五制得的干凝胶粉末在750℃~850℃煅烧1~2h,得到白色粉末;
步骤七、取步骤六制备的白色粉末,向该白色粉末中加质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂,混合均匀后进行造粒,造粒后通过40目筛分,然后在压力机上以压力100~150MPa压制成圆片,将成型片叠放在有二氧化锆垫料的氧化铝垫板上,相邻成型片之间用二氧化锆粉隔开,然后放入高温电炉中烧结,升温速率控制在400℃/h,升温至1280℃~1300℃下烧结20min~60min,其中在150℃和200℃保温30min以排水,排胶,然后随炉降温至室温;制得BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料。
4.一种根据权利要求3所述制备高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料的方法制备得到的高居里温度BT-BKT体系无铅PTCR陶瓷材料作为热敏电阻的应用,是将制备得到的烧结片的两面均匀的涂覆上一层铝浆料,在温度500~850℃下烧渗10~20min制备铝电极,最终得到热敏电阻,该热敏电阻的室温电阻率为25~1.1×104Ω·cm,居里温度为114~143℃,升阻比为3.07~3.76。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150408 |