一种ZnO非线性电阻的制备方法技术

一种ＺｎＯ非线性电阻的制备方法，涉及制备半导体陶瓷材料的工艺和技术，特别提供了ＺｎＯ非线性电阻的粉体—成型—烧结的工艺和技术。它是在微米级的ＺｎＯ粉体中加入部分人工合成的纳米级ＺｎＯ粉体，再加入多种金属氧化物（如Ｂｉ＃－［２］Ｏ＃－［３］、Ｓｂ＃－［２］Ｏ＃－［３］、Ｃｏ＃－［２］Ｏ＃－［３］、ＭｎＯ＃－［２］、Ｃｒ＃－［２］Ｏ＃－［３］等），利用高压脉冲电场产生的高压力压制成高密度素坯；而后采用先等离子体升温烧结至一定温度，再用微波升温烧结至一定温度，再降温至一定温度又用等离子体升温烧结而成。由于本发明专利技术不全部使用微米级的ＺｎＯ粉体，而是加入部分人工合成的ＺｎＯ纳米粉体，烧结又采用等离子体—微波—等离子体的烧结工艺，故可以制备出高密度、高强度、高韧性、非线性特性优异、成品率高的ＺｎＯ非线性电阻，而且生产周期短、能耗低、无环境污染。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及制备半导体陶瓷材料的工艺和技术，特别提供了ZnO非线性电阻的粉体-成型-烧结的工艺和技术。
技术介绍
ZnO非线性电阻在电工和电子领域被广泛用来限制异常过电压，并吸收由此产生的能量，对电力设备、用电设备和电子设备进行保护，它是ZnO避雷器的关键元件。ZnO非线性电阻是一种多组合的多晶陶瓷半导体，原料以ZnO为主体，添加其它各种成分。因其属于陶瓷材料的范畴，传统的ZnO非线性电阻的制备，是采用微米级的工业ZnO粉体原料，在机械压力作用下将粉料压制成一定形状的坯体，再利用隧道窑或箱式炉的加热方式进行烧结而成。其加工工艺存在以下问题1、采用微米级的工业ZnO粉体原料存在以下问题(1)陶瓷的脆性，(2)烧结温度高，烧结设备贵，能耗大，不利于环境保护；2、在机械压力作用下将粉料压制成一定形状的坯体会带来两个问题(1)坯体密度分布不均匀，(2)在烧结时引起变形和开裂；3、采用隧道窑或箱式炉烧结手段存在以下问题(1)这是一种热量通过介质由表及里向内部传播的加热方式，所以升温速度慢，而且加热体内外受热不均匀；(2)烧结装置结构复杂，能耗高，工作环境差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能制备出高密度、高强度、高韧性、非线性特性优异、成品率高的ZnO非线性电阻产品，而且生产周期短、能耗低、无环境污染的ZnO非线性电阻的制备方法。本专利技术目的的实现方式为，，将微米级的ZnO粉体与金属氧化物Bi2O3、Sb2O3、、Co2O3、MnO2、Cr2O3混合压坯，再烧结，各部分的克分子％比为微米级的ZnO粉体95-97Bi2O30.2-2 Sb2O30.1-2Co2O30.8-2MnO20.2-1Cr2O30.1-2其特征在于(1)在微米级的ZnO粉体中加入部分人工合成的ZnO纳米级粉体，ZnO纳米级粉体的比例为3-70％；(2)将ZnO与金属氧化物混合粉体利用高压脉冲电场内形成的0.5-5GPa的强脉冲压力压制成高密度素坯；(3)将素坯按等离子体-微波-等离子体交替烧结的方法进行烧结，即先用等离子体烧结，用100-200℃/min的升温速度将素坯加热到400℃-600℃，保温1-20min；取出用微波进行烧结，以100-200℃/min的升温速度，升至900℃-1500℃，保温1-20min进行烧结，然后取出烧结体自然冷却到400℃-600℃，再用等离子体进行烧结，烧结温度为600℃-800℃，保温1-20min，制得ZnO非线性电阻。本专利技术在微米级的ZnO粉体中加入部分人工合成的ZnO纳米粉体，由纳米粉体制备的纳米陶瓷具有很大的塑性，可以制备出高强度、高韧性的ZnO非线性电阻。而纳米陶瓷的熔点可降到传统陶瓷的40-60％，其烧结性能极佳，烧结温度可降低几百度。在纳米ZnO中，载流子的粒径与材料内电子的平均自由行程在同-数量级，这会大大改善ZnO的非线性电阻性能。本专利技术采用高压脉冲成型法压制素坯，这是一种超高压成型的方法，这种方法利用脉冲电场力，在微秒级的时间内达到相当高的压力，再利用这种高压力将纳米粉体压制成高密度素坯。这种坯体由于密度高，而且坯体各部分的密度均匀一致，所以在烧结时不会出现大的收缩和不均匀收缩收起的产品变形或干裂。等离子体烧结是压力烧结的一种。它除了具有热压烧结的特点外，其主要特点是通过瞬时产生的等离子体使烧结体内部每个颗粒均匀地自身发热，因而具有非常高的热效率，可以在相当短的时间内使烧结体达到致密。在烧结过程中，晶粒表面容易活化，体扩散和晶界扩散都得到了加强，这会显著地改善ZnO非线性电阻的非线性特征。微波烧结是电磁能以波的形式渗透到介质内部引起介质损耗而发热，因此具有快速的烧结速度，而且内外同时发热而使加热体内部温度梯度小，发热均匀，这特别有利于制备纳米结构的高密度、高强度、高韧性的陶瓷。微波加热不需要经过传导，因而没有热惯性，具有即时性，这意味着热流可以瞬时切断和即时发热，体现了节能与易于控制。微波加热能方便地获得2000℃以上的高温，而且在整个烧结装置中，微波加热时只有产品本身处于高温中，其余部分仍处于常温冷态，因此整个烧结装置结构紧凑，简单，工作环境好，使用费用低。但是，微波烧结存在一个严重的缺点，即在微波烧结的过程中，常常发现在升温段和降温段烧结体最容易发生热应力开裂，这是由于材料介质损耗突增，导致温度突升数十至数百度而造成的。本专利技术烧结采用等离子体-微波-等离子体的次序烧结工艺，利用等离子体烧结和微波烧结的不同特点，将整个烧结过程分为三段。在第一阶段(即以往的微波烧结升温段)采用等离子体烧结，这时在烧结体内部每个颗粒均为均匀地自身发热，即烧结体内外温差趋于最小，均处于热应力开裂的临界温度梯度的许可范围内，避免了开裂现象；第二阶段采用微波加热，纳米陶瓷的烧结与其它陶瓷的烧结不同，普通陶瓷的烧结一般不必过分考虑晶粒的生长，而在纳米陶瓷的烧结过程中必须采取一切措施控制晶粒长大，而微波烧结与热传导、热辐射等以往的外部加热方式不同，它具有即时性，可以快速烧结，避开晶粒的生长过程；第三阶段(即以往的微波烧结的降温段)，是将烧结体从微波炉中取出，让其自然冷却到400℃-600℃，再采用等离子体升温烧结，利用烧结体每一颗晶粒及其相互间的孔隙本身都是发热源的特点，使晶界扩散(这是坯体致密化的动力)，处于活跃状态，实现了在晶粒不长大的前提下完成烧结的目的，同时，这也会造成烧结体均匀地发热，避免了开裂现象。按例2的配方，用本专利技术方法制备的ZnO非线性电阻与用传统方法制备的ZnO非线性电阻性能比较结果见下表 从表中可见，用本专利技术方法制备的ZnO非线性电阻比用传统方法制备的ZnO非线性电阻非线性特性优异，成型后、烧结后的相对密度高。本专利技术不直接全部使用微米级的ZnO粉体，而是部分地使用人工合成的ZnO纳米粉体，烧结又采用等离子体-微波-等离子体的次序烧结工艺，故可以制备出高密度、高强度、高韧性、非线性特性优异、成品率高的ZnO非线性电阻，而且生产周期短、能耗低、无环境污染。具体实施例方式本专利技术不直接全部使用微米级的ZnO粉体，而是部分地使用人工合成的ZnO纳米粉体，ZnO纳米粉体的比例为3-70％。烧结采用等离子体-微波-等离子体的次序烧结工艺，即先用等离子体烧结，用100-200℃/min的升温速度将素坯加热到400℃-600℃，保温1-20min；取出用微波进行烧结，以100-200℃/min的升温速度为，升至900℃-1500℃，保温1-20min进行烧结，然后取出烧结体，自然冷却到400℃-600℃，再用等离子体进行烧结，烧结温度为600℃-800℃，保温1-20min得ZnO非线性电阻。下面举出本专利技术配方(克分子％)实施例12 3 4微米级的ZnO粉体92.15 76.858.228.5纳米级ZnO粉体 2.85 19.238.866.5Bi2O32.0 0.3 0.5 0.2Sb2O31.0 2.0 0.2 0.1Co2O30.8 1.0 1.0 2.0MnO21.0 0.6 0.2 0.7Cr2O30.2 O.1 1.1 2.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＺｎＯ非线性电阻的制备方法，将微米级的ＺｎＯ粉体与金属氧化物Ｂｉ↓［２］Ｏ↓［３］、Ｓｂ↓［２］Ｏ↓［３］、Ｃｏ↓［２］Ｏ↓［３］、ＭｎＯ↓［２］、Ｃｒ↓［２］Ｏ↓［３］混合压坯，再烧结，各部分的克分子％比为：微米级的ＺｎＯ粉体 ９ ５－９７ Ｂｉ↓［２］Ｏ↓［３］ ０．２－２Ｓｂ↓［２］Ｏ↓［３］ ０．１－２ Ｃｏ↓［２］Ｏ↓［３］ ０．８－２ＭｎＯ↓［２］ ０．２－１ Ｃｒ↓［２］Ｏ↓［３］ ０．１－２其特征在于：（１）在微米级的ＺｎＯ粉体中加入部分 人工合成的ＺｎＯ纳米级粉体，ＺｎＯ纳米级粉体的比例为３－７０％；（２）将ＺｎＯ与金属氧化物混合粉体利用高压脉冲电场内形成的０．５－５ＧＰ↓［ａ］的强脉冲压力压制成高密度素坯；（３）将素坯按等离子体－微波－等离子体交替烧结的方法进行烧 结，即先用等离子体烧结，用１００－２００℃／ｍｉｎ的升温速度将素坯加热到４００℃－６００℃，保温１－２０ｍｉｎ；取出用微波进行烧结，以１００－２００℃／ｍｉｎ的升温速度，升至９００℃－１５００℃，保温１－２０ｍｉｎ进行烧结，然后取出烧结体自然冷却到４００℃－６００℃，再用等离子体进行烧结，烧结温度为６００℃－８００℃，保温１－２０ｍｉｎ，制得ＺｎＯ非线性电阻。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种ZnO非线性电阻的制备方法，将微米级的ZnO粉体与金属氧化物Bi2O3、Sb2O3、、Co2O3、MnO2、Cr2O3混合压坯，再烧结，各部分的克分子％比为微米级的ZnO粉体 95-97Bi2O30.2-2Sb2O30.1-2Co2O30.8-2MnO20.2-1Cr2O30.1-2其特征在于(1)在微米级的ZnO粉体中加入部分人工合成的ZnO纳米级粉体，ZnO纳米级粉体的比例为3-70％；(2)将ZnO与金属氧化物混合粉体利用高压脉冲电场内形成的0...

【专利技术属性】
技术研发人员：张德赛，
申请(专利权)人：武汉市德赛电力设备有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]