一种高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷及其制备方法，该方法将CaCO3、CuO、TiO2、ZnO和Al2O3按照摩尔比例为1：3：4：0‑5%：0‑5%进行混合；然后湿式球磨12h后，将混合粉末在80

【技术实现步骤摘要】
一种高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及压敏陶瓷，特别涉及一种高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷及其制备方法。
技术介绍
压敏陶瓷是指在某一特定电压范围内具有非线性伏安（V-I）特性，其电阻值随电压的增加而急剧减小的电子材料，它是由晶粒大小和晶界结构控制的典型电子功能材料。输电电路电压等级的提高以及输电电容的增大对过电压防护器件的质轻、体积的小型化提出更高要求，同时，日益增长的信息技术对更高集成度、高速、低功耗集成电路的需求也驱使电力电子器件愈发小型化以及低损耗。传统的CaCu3Ti4O12压敏陶瓷配方和制备工艺复杂，包括混料、预烧结、过筛、造粒、排胶等复杂过程，最终烧结成瓷的温度通常在1050oC以上，保温10h以上，耗能高，且CaCu3Ti4O12压敏陶瓷的电位梯度不高，通常在200-300V/mm左右，且介电损耗高达0.1-1数量级，很难满足当前电力电子器件低损耗、小型化的要求。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷，包括CaCO3、CuO、TiO2和金属氧化物；所述金属氧化物为ZnO和Al2O3，所述原料的纯度均为分析纯；所述CaCO3、CuO、TiO2、ZnO和Al2O3混合的摩尔比例为1：3：4：(0-5%)：(0-5%)。ZnO和Al2O3的添加有助于提高CaCu3Ti4O12陶瓷的压敏性能（非欧姆特性），也就是有助于提高非线性系数，降低介电损耗。其中Zn2+很可能在固溶时替代CaCu3Ti4O12中的A位Cu2+抑制了晶界氧空位的形成，提高晶界电阻，从而增大电位梯度。Al3+则在固溶时替代CaCu3Ti4O12中的B位Ti4+，作为受主元素，Al3+掺杂有助于降低CaCu3Ti4O12载流子浓度，从而降低CaCu3Ti4O12压敏陶瓷的介电损耗，且Al2O3的添加可能在CaCu3Ti4O12晶界处形成第二相，对抑制晶粒生长、提高电位梯度起到重要作用。尽管单独掺杂ZnO和Al2O3对压敏特性、电位梯度有一定程度的改善，但介电损耗仍然较高，两者共掺则进一步提高电位梯度，同时明显降低了介电损耗。作为改进，所述ZnO和Al2O3的摩尔比例相等。作为改进，所述CaCO3、CuO、TiO2、ZnO和Al2O3混合的摩尔比例分别为1mol，3mol，4mol，1mol%，1mol%。一种制备高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷的方法，包括如下步骤:S1：按照上述高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷进行配料，然后进行湿式球磨；S2：湿式球磨15h后，将混合粉末在90oC烘干15h；S3：取S2烘干后的混合粉末，装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中在50MPa恒定压力下、750-800oC温度下烧结5-10min；放电等离子烧结过程中，脉冲电流直接通过粉末和石墨模具，加热系统的热容很小，升温和传热速度快，从而实现了CaCu3Ti4O12陶瓷的低温短时烧结，另外烧结过程中持续加压有效的提高了CaCu3Ti4O12陶瓷的致密度。微量ZnO和Al2O3的添加用于改善CaCu3Ti4O12陶瓷的晶界性能，提高晶界电阻，从而提高电位梯度，同时降低载流子浓度，从而降低其介电损耗。S4：取S3得到的试样，放置于马弗炉中在800-1000oC退火处理2-3h，然后自然冷却，得到高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷。吸附在晶界处的氧在势垒形成机制中起着基本作用，而放电等离子烧结时的真空环境会对CaCu3Ti4O12陶瓷的氧空位浓度造成影响，进而影响其微观结构和性能，因此需要进行适度的退火处理，中性氧空位与氧气反应生成带负电的氧离子很容易吸附在晶界界面，提高了晶界势垒高度，进而提高了晶界电阻，使CaCu3Ti4O12陶瓷的电性能得到改善。相对于现有技术，本专利技术至少具有如下优点：本专利技术采用放电等离子烧结技术制备CaCu3Ti4O12压敏陶瓷，其烧结温度、保温时间（750oC、10min）比传统1050oC、10h以上的烧结温度和保温时间有大幅的下降，更加的节能环保。本专利技术CaCu3Ti4O12压敏陶瓷新配方，结合放电等离子烧结技术制备出了高电位梯度和低介电损耗的CaCu3Ti4O12压敏陶瓷，其电位梯度高达1200V/mm以上，为传统CaCu3Ti4O12压敏陶瓷的4倍左右，其1kHz下的介电损耗也降低至0.02。附图说明图1为放电等离子烧结制备的五种CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样的伏安特性图。图2为放电等离子烧结制备的五种CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样的介电损耗频谱图。图3为对比例1纯CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样的阻抗谱图。图4为对比例2CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样的阻抗谱图。图5为实施例1中高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样的阻抗谱图。图6为对比例3CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样的阻抗谱图。图7为对比例4CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样的阻抗谱图。图1-图7中，SampleA代表比例1纯CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样，SampleB代表比例2CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样，SampleC代表实施例1中高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样，SampleD代表比例3CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样，SampleE代表比例4CaCu3Ti4O12压敏陶瓷试样。具体实施方式下面对本专利技术作进一步详细说明。实施例1：一种制备高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷的方法，包括如下步骤：S1：所述高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷包括CaCO3、CuO、TiO2和金属氧化物；所述金属氧化物为ZnO和Al2O3，所述CaCO3、CuO、TiO2、ZnO和Al2O3混合的摩尔比例分别为1mol，3mol，4mol，1mol%，1mol%；按照前述配料后以酒精为介质进行湿式球磨；S2：湿式球磨15h后，将混合粉末在90oC烘干15h；S3：取S2烘干后的混合粉末，装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中在50MPa恒定压力下、750oC温度下烧结10min；S4：取S3得到的试样，放置于马弗炉中在1000oC退火处理3h，然后自然冷却，得到高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷。对比例1：纯CaCu3Ti4O12陶瓷试样，制备方法是：S1：取CaCO3、CuO、TiO2按摩尔比例1：3：4混合后以酒精为介质进行湿式球磨；S2：湿式球磨12h后，将混合粉末在80oC烘干12h；S3：取S2烘干后粉末，装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中在50MPa恒定压力下、750oC温度下烧结10min；S4：取S3得到的粉末，放置于马弗炉中在1000oC退火处理3h，然后自然冷却，得到纯CaCu3Ti4O12压敏陶瓷。对比例2：CaCu3Ti4O12陶瓷，所述CaCu3Ti4O12陶瓷中掺杂了ZnO和Al2O3，且掺杂比例均为0.5mol本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷，其特征在于：包括CaCO3、CuO、TiO2和金属氧化物；所述金属氧化物为ZnO和Al2O3；所述CaCO3、CuO、TiO2、ZnO和Al2O3混合的摩尔比例分别为1 mol，3 mol，4 mol，0‑5mol%，0‑5mol%。

【技术特征摘要】
1.一种高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷，其特征在于：包括CaCO3、CuO、TiO2和金属氧化物；所述金属氧化物为ZnO和Al2O3；所述CaCO3、CuO、TiO2、ZnO和Al2O3混合的摩尔比例分别为1mol，3mol，4mol，0-5mol%，0-5mol%。2.如权利要求1所述的高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷，其特征在于：所述ZnO和Al2O3的摩尔比例相等。3.如权利要求2所述的高电位梯度、低介电损耗CaCu3Ti4O12压敏陶瓷，其特征在于：所述CaCO3、CuO、TiO2、ZnO和Al2O3混合的摩尔比例分别为1mol，3mol，4mol，0.1-3mol%，0.1-3mol%。4.一种制备高电位梯度、低...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学童，许超，杨丽君，成立，郝建，廖瑞金，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50