CN1594203A - 掺杂TiO2低压压敏陶瓷及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺杂TiO₂低压压敏陶瓷，其以分析纯TiO₂为主体，以Ta₂O₅为半导化掺杂物，SrCO₃为受主掺杂物，并掺入适量的Bi₂O₃、SiO₂作助烧剂烧结而成。本发明的特点在于：以Ta₂O₅代替Nb₂O₅等5价金属氧化物作为半导化掺杂物，可使TiO₂为基的压敏陶瓷具有更低的压敏电压和更高的介电系数；改变受主SrCO₃的掺杂量，可以调节该材料的相关电性能参数；与SrTiO₃系低压压敏陶瓷相比，工艺、设备都相对简单，成本降低。本发明所制得的陶瓷材料的视在介电系数ε一般可达10⁵以上，E_10mA一般为1－10V/mm，α的值可达到3.0以上，其性能参数可以通过调整组成和烧结条件而有所变化。

Description

掺杂TiO2低压压敏陶瓷及制作方法

技术领域

本发明属于电子元器件材料领域，特别涉及一种掺杂TiO₂低压压敏陶瓷。

背景技术

对于低压电器的过电压及电磁干扰的保护，可以借助于一种具有较大电容量的压敏电阻元件。压敏电阻的电流-电压特性一般表示为：

$I={\left(\frac{V}{C}\right)}^a$

式中I为电流，V为器件电压，C为材料常数，α为非线性系数，α＝1时元件为固定电阻。在工程技术上，非线性系数被定义为：

$\mathrm{\α}=\frac{\log (I_2/I_1)}{\log (V_2/V_1)}$ 或 $\mathrm{\α}=\frac{\log (J_2/J_1)}{\log (E_2/E_1)}$

对于ZnO压敏电阻一般用前式，式中V₁、V₂为流经电流为I₁、I₂时样品的端电压，且定义I₁、I₂分别为0.1mA和1mA；而对于非ZnO压敏电阻用后式，且定义流经电流密度J₁、J₂分别为1mA/cm²和10mA/cm²时样品的场强为E₁、E₂。一般V₂和E₂统称为压敏电压，其中E₂又记作E₁₀(或E_10mA)。此外，对于抗高频电干扰的应用，介电系数也是一个重要的指标参数，高的介电系数才能保证大的极间电容。

例如在微型直流电机电刷火花的防护的应用中，广泛使用一种环形压敏电阻器，目前所使用的材料一般为掺杂SrTiO₃或ZnO压敏陶瓷。但是，ZnO压敏陶瓷的压敏电压较高，而且介电系数很小，抗高频电磁干扰的能力差；而SrTiO₃压敏陶瓷元件必须在还原性气氛中烧成，然后在氧化性气氛中氧化，制作工艺复杂，成本高，而且这类表面型元件的压敏电压调整困难，不利于产品的系列化。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种适用于低电压并具有高介电系数值的，制作工艺简单的掺杂TiO₂低压压敏陶瓷。

本发明的另一个目的是提供一种掺杂TiO₂低压压敏陶瓷的制作方法。

本发明的目的是这样实现的：一种掺杂TiO₂低压压敏陶瓷，其特征在于：组成配方由以下原料按净值摩尔比计算：

主体TiO₂               1

半导化掺杂物Ta₂O₅     0.0005～0.0010

助烧剂Bi₂O₃           0.001～0.005

助烧剂SiO₂             0.005～0.015

受主掺杂物SrCO₃        0.005～0.012

一种掺杂TiO₂低压压敏陶瓷的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：按上述组成配方进行配料—球磨—干燥—预烧—球磨—干燥—造粒—干压成型—烧结。

本发明以分析纯TiO₂为主体，Ta₂O₅为半导化(施主)掺杂物，SrCO₃为受主掺杂物，再掺入适量的Bi₂O₃、SiO₂作助烧剂；采用传统的电子陶瓷制作工艺，只是烧结时采用同成份粉料掩埋烧结，烧结温度为1200～1300℃。与SrTiO₃系低压压敏陶瓷相比，工艺、设备都相对简单，成本降低。而且，所制得的陶瓷材料的视在介电系数一般可达105以上，E_10mA一般为1-10V/mm，α的值可达到3.0以上。

具体实施方式

本发明的一种掺杂TiO₂低压压敏陶瓷，其原料为TiO₂、Ta₂O₅、Bi₂O₃、SiO₂和SrCO₃，其组成配比由以下原料按净值摩尔比计算：TiO₂(1)：Ta₂O₅(0.0005～0.0010)：Bi₂O₃(0.001～0.005)：SiO₂(0.005～0.015)：SrCO₃(0.005～0.012)，可根据要求在本发明范围内适当变化。

首先按摩尔比计算和称取各原料；然后加去离子水或蒸馏水在行星式球磨机上进行球磨混料2～6小时，烘干后在900～1100℃温度下预烧1～2小时，预烧有利于降低压敏电压和增大视在介电系数；预烧后的料再次加去离子水或蒸馏水在行星式球磨机上球磨粉碎2～6小时，烘干，过筛，造粒，干压成型；成型后坯片叠放于刚玉坩埚内，采用掩埋烧结技术(用造粒过的同成份粉料将样片掩埋，刚玉坩埚加盖呈半开口状)，在1200-1300℃烧结1～3小时，即制成本发明所述陶瓷。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的范围不限于这些特定例子。

实施例1：

配制时各组分摩尔比(净值)为TiO₂(1)∶Ta₂O₅(0.00075)∶Bi₂O₃(0.003)∶SiO₂(0.01)∶SrCO₃(0.008、0.010或0.012)。

制作步骤：首先按上述摩尔比计算和称取各原料；然后用蒸馏水进行湿式球磨混料4小时；混料后烘干，在1000℃预烧1小时；再次用蒸馏水进行湿式球磨4小时，干燥后过筛、造粒，干压成型为φ12×1.1mm的样片；成型后样片叠放于刚玉坩埚内，采用埋烧的方法在1250℃烧结，保温2小时，即制成样品1～3。烧结后的样品尺寸为φ9×0.9mm的圆片样品，然后在样品的两端面烧制欧姆银电极，经测试其主要性能指标如表1所示。

表1  不同SrCO₃含量样品的主要性能参数

样品序号	SrCO3掺量(mol)	压敏电压E10mA(V/mm)	非线性系数α	相对介电系数(1KHz)
					1	0.008	9.50	3.82	7.18×104
2	0.010	5.62	3.41	1.19×105
					3	0.012	5.92	3.42	1.21×105

比较例1：

配制比较样品，按组分摩尔比(净值)为TiO₂(1)∶Ta₂O₅(0.00075)或Nb₂O₅(0.00075)∶Bi₂O₃(0.003)∶SiO₂(0.01)∶SrCO₃(0.010)进行配比，用与实施例1相同的工艺和烧成条件，制成类似的样品4、5。经测试，其主要性能指标对比如表2所示。

表2 Ta₂O₅和Nb₂O₅掺杂样品的主要性能参数比较

样品序号	不同掺杂元素掺量(mol)	压敏电压E10mA(V/mm)	非线性系数α	相对介电系数(1KHz)
					4	Ta2O5	5.62	3.41	1.19×105
5	Nb2O5	33.1	5.00	2.85×104

由上表可以看出，除了非线性系数小于Nb₂O₅掺杂样品外，本发明陶瓷材料的各项性能指标优于现有的以Nb₂O₅等5价金属氧化物作为半导化掺杂物的陶瓷材料。

比较例2：

配制样品，按组分摩尔比(净值)为TiO₂(1)∶Ta₂O₅(0.00075)∶Bi₂O₃(0.003)∶SiO₂(0.01)∶SrCO₃(0.010)进行配比，制得的生坯样片分别采用与实施例1相同的工艺和烧成条件，即掩埋烧结制成类似的样品6，采用传统的裸烧烧结工艺制得样品7。经测试，其主要性能指标对比如表3所示。

表3掩埋烧结与传统裸烧样品的主要性能参数比较

样品序号	烧结条件	压敏电压E10mA(V/mm)	非线性系数α	相对介电系数(1KHz)
					6	掩埋烧结(1250℃)	5.62	3.41	1.19×105
7	裸烧(1250℃)	6.98	3.51	8.39×104

表中可见，掩埋烧结样品除了非性系数比裸烧样品略小外，其压敏电压较低，介电系数较大。

Claims (4)

1.一种掺杂TiO₂低压压敏陶瓷，其特征在于：组成配方由以下原料按净值摩尔比计算：

主体              TiO₂         1

半导化掺杂物质    Ta₂O₅       0.0005～0.0010

助烧剂            Bi₂O₃       0.001～0.005

助烧剂            SiO₂         0.005～0.015

受主掺杂物质      SrCO₃        0.005～0.012

2.一种掺杂TiO₂低压压敏陶瓷的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：按照权利要求1所述的组成配方进行配料—球磨—干燥—预烧—球磨—干燥—造粒—干压成型—烧结。

3.根据权利要求2所述的掺杂TiO₂低压压敏陶瓷的制作方法，其特征在于：所述烧结的烧结温度为1200-1300℃。

4.根据权利要求2所述的掺杂TiO₂低压压敏陶瓷的制作方法，其特征在于：所述的烧结采用同成份粉料掩埋烧结工艺。