一种大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：S1：将纳米ZnO和B2O3进行干粉球磨混合均匀得到混合粉体；S2：步骤1球磨混合后的混合粉体通过分段加热方法合成复合氧化物掺杂剂Zn4B6O

【技术实现步骤摘要】
一种大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及压敏电阻领域，具体为一种大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]氧化锌(ZnO)是一种高功能的无机半导体材料，其禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，具有优异的光电性能及量子尺寸效应，在压敏电阻等领域应用前景十分广阔。现在大量使用的氧化锌压敏陶瓷材料是以ZnO为主体,再添加若干其它金属氧化物，以过渡金属氧化物为主，如铋、锰、镍、铬、钴等，可以改善提高氧化锌压敏电阻的非线性系数等性能。
[0003]目前应用最广泛的是ZnO
‑
Bi2O3系压敏电阻，其微量元素主要存在于晶界层中。然而晶界层间隙和晶界层中尖晶石的存在使晶界层介电常数远远低于氧化锌的介电常数，它们的存在会极大地降低晶界电容，因此晶界层的存在是氧化锌压敏陶瓷保持较低电容量的主要因素。若晶粒融合，则具有低介电常数晶界层不存在，那么氧化锌压敏陶瓷的介电常数必然增大，压敏电容也随之增大。而压敏电容的增大会引起电位梯度下降，残压比降低。此外，电容量的增大能大大提高冲击电流的容量及温度的稳定性。
[0004]目前,氧化锌压敏陶瓷元件的小电流区电流
‑
电压(I
‑
V)特性与温度有密切关系，电阻温度系数为负值，漏电流随温度的升高而增大，最终因热不平衡造成元件热击穿。因此，要提高ZnO压敏陶瓷元件的稳定性和可靠性，必须降低泄漏电流及其温度系数，改善提高老化特性。
[0005]在各种低熔点氧化物中，B2O3经常被用作低温烧结助剂。在烧结过程中会形成一些复杂的次级相，例如Zn4B6O
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,Zn3(BO3)2。通过研究发现B2O3可以提高ZnO压敏陶瓷的I
‑
V性能的稳定性，有利于减少漏电流，改善压敏电阻的电稳定性。

技术实现思路

[0006]为了克服上述技术问题，本专利技术提出一种大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料及其制备方法，将纳米ZnO和B2O3在700
‑
900℃下预合成Zn4B6O
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，进一步掺杂改性氧化锌压敏电阻材料，不仅大大提高了氧化锌压敏电阻材料的电容性能，同时也降低了陶瓷材料的烧结温度及改善材料的耐高温稳定性。
[0007]本专利技术中主要采用的技术方案为：
[0008]一种大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1：将纳米ZnO和B2O3按掺杂比例进行干粉球磨混合均匀得到混合粉体；
[0010]S2：步骤1球磨混合后的混合粉体通过分段加热方法合成复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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；
[0011]S3：将ZnO、Bi2O3、Sb2O3、MnO2、Co2O3和复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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按比例进行均质液相球磨得到混合压敏陶瓷粉体；
[0012]S4：将粘结剂PVA按比例加入到混合陶瓷粉体中进行干燥处理，随后在一定压力条件下，将混合陶瓷粉体压制成型陶瓷坯片，并对陶瓷坯片进行高温烧结，即得到氧化锌压敏陶瓷材料。
[0013]优选地，所述步骤S1中，纳米ZnO和B2O3按质量比1:1球磨混合，且干粉球磨混合时间为4
‑
8h。
[0014]优选地，步骤S2中所述复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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的具体制备步骤如下：
[0015]S2
‑
1:将步骤S1得到的混合粉体从常温加热至700℃，并保温反应2h，得到中间体I混合粉体；
[0016]S2
‑
2:随后继续升温至900℃，并保温反应1.5h，得到复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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。
[0017]优选地，步骤S3中所述均质液相球磨的球磨介质为去离子水和ZrO2球，去离子水:ZrO2球:混合陶瓷粉体的质量比为：1:2:1。
[0018]优选地，步骤S3中所述混合陶瓷粉体的均质液相球磨时间为8
‑
12h，球磨转速设定为280
‑
320r/min。
[0019]优选地，步骤S3中，所述混合陶瓷粉体中各组分的摩尔百分比如下：
[0020]ZnO90.0mol％；Bi2O31.5mol％；Sb2O31.5mol％；MnO21.0mol％；Co2O31.5mol％；复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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5.0mol％。
[0021]优选地，步骤S4中，ZnO压敏陶瓷的具体制备步骤如下：
[0022]S4
‑
1：在混合陶瓷粉体中加入质量分数为3.5％的聚乙烯醇，并在温度85℃下进行干燥处理1
‑
2h，将干燥后的粉体在200Mpa压力下压制成型陶瓷坯片；
[0023]S4
‑
2：将陶瓷坯片在900
‑
1100℃的温度下进行保温烧结2h后，即得到氧化锌压敏陶瓷材料，其中，烧结过程的加热升温和冷却降温的速率梯度均为4℃/min。
[0024]优选地，步骤S4
‑
1中，聚乙烯醇与混合陶瓷粉体的质量比为1：4。
[0025]优选地，所述复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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为立方晶系，具有方钠石型结构，所有的硼原子均与氧原子配位，6个硼氧四面体形成环状结构。
[0026]一种氧化锌压敏陶瓷材料，所述氧化锌压敏陶瓷材料的压敏电压V
1mA
为450
‑
550V/mm，残压比K为1.25
‑
2.50，漏电流为5.5
‑
15μA/cm2，非线性系数为45
‑
60，在常温，测试频率1kHz条件下，介电常数ε为350
‑
420。
[0027]有益效果：本专利技术提供一种大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料及其制备方法，具有如下优点：
[0028](1)本专利技术通过将纳米ZnO和B2O3在700
‑
900℃下预合成Zn4B6O
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相，在后续陶瓷烧结过程中通过Zn4B6O
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和富Bi相之间的相互作用，改善ZnO压敏电阻陶瓷的微结构，生产制备出大电容耐高温的可靠稳定氧化锌压敏电阻。
[0029](2)本专利技术利用通过Zn4B6O
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影响压敏电阻材料的尖晶石相和富Bi2O3相，从而降低了烧结温度，减少了压敏陶瓷材料的生产能耗，降低了生产成本；
[0030](3)本专利技术中通过掺杂Zn4B6O
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提高了氧化锌压敏陶瓷材料的击穿电压和非线性系数，从而提高了ZnO压敏陶瓷的I
‑
V性能的稳定性。
附图说明
[0031]图1为本专利技术中ZnO和B2O3在不同温度下煅烧合成的掺杂粉体的XRD图；
[0032]图2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将纳米ZnO和B2O3按掺杂比例进行干粉球磨混合均匀得到混合粉体；S2：步骤1球磨混合后的混合粉体通过分段加热方法合成复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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；S3：将ZnO、Bi2O3、Sb2O3、MnO2、Co2O3和复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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按比例进行均质液相球磨得到混合压敏陶瓷粉体；S4：将粘结剂PVA按比例加入到混合陶瓷粉体中进行干燥处理，随后在一定压力条件下，将混合陶瓷粉体压制成型陶瓷坯片，并对陶瓷坯片进行高温烧结，即得到氧化锌压敏陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，纳米ZnO和B2O3按质量比1:1球磨混合，且干粉球磨混合时间为4
‑
8h。3.根据权利要求1所述的大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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的具体制备步骤如下：S2
‑
1:将步骤S1得到的混合粉体从常温加热至700℃，并保温反应2h，得到中间体I混合粉体；S2
‑
2:随后继续升温至900℃，并保温反应1.5h，得到复合氧化物掺杂剂Zn4B6O
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。4.根据权利要求1所述的大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述均质液相球磨的球磨介质为去离子水和ZrO2球，去离子水:ZrO2球:混合陶瓷粉体的质量比为：1:2:1。5.根据权利要求1所述的大电容耐高温的氧化锌压敏陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述混合陶瓷粉体的均质液相球磨时间为8
‑
12h，球磨转速设定为280
‑
320r/min。6.根据权利要求1所述的大电容耐高温的氧化锌...

【专利技术属性】
技术研发人员：束静，王茂华，
申请(专利权)人：常州市创捷防雷电子有限公司，
类型：发明
国别省市：