一种TiO2压敏陶瓷的制备方法 |
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| 申请号 | CN201610830522.3 | 申请日 | 2016-09-19 | 公开(公告)号 | CN106495685A | 公开(公告)日 | 2017-03-15 |
| 申请人 | 昆明理工大学; | 发明人 | 严继康; 姜贵民; 段志操; 杜景红; 甘国友; 易健宏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种TiO2压敏陶瓷的制备方法，将掺杂金属 氧 化的TiO2 复合粉末 进行球磨、干燥、过筛、压 块 、排胶、 烧结 ，烧结采用 热压 烧结的方式进行，烧结工艺如下：以5~20℃/min的升温至750~850℃，保温30min，以5~15℃/min的升温速率升温至1250~1450℃，保温30min，以5℃/min的降温速率降温100℃后保温2~5 h，再自然冷却至室温，得到TiO2压敏陶瓷；本发明克服传统TiO2压敏陶瓷烧结过程的不足，改善TiO2压敏陶瓷材料的微观结构，提高TiO2压敏陶瓷材料的压敏性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种TiO2压敏陶瓷的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种TiO2压敏陶瓷的制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种压敏陶瓷的制备方法，属于电器元件及其材料制造技术领域。 背景技术[0002] 压敏电阻作为一种典型的具有非线性电性能的电子陶瓷，它可以敏感的反映瞬时电压波动，因而广泛应用于避雷器及工业设备当中作限压保护器件起到过电压保护和浪涌吸收的作用。用于制作压敏电阻器的材料一般为 ZnO、SiC和TiO2。TiO2压敏陶瓷是一种具有高电容性的低压压敏陶瓷电阻，是最有发展前途的压敏材料之一，对于TiO2压敏电阻器件，需获得较低的压敏电压V1mA、较高的非线性系数α和介电常数εr，有利于实现元器件的功用。 [0003] 掺杂对于TiO2压敏电阻来说有着重大的意义，微量的掺杂就可以得到相对较高的介电常数εr，并且满足电容压敏双功能要求。因此，近几年掺杂型TiO2压敏电阻得到大量关注与研究。目前，对TiO2压敏电阻生产方法的研究主要有稀土掺杂、受主掺杂和施主掺杂等方面。如有不少人提出用Sr做受主掺杂来改变其压敏电压和非线性系数，或通过 La 做施主掺杂等等。 [0004] 在制备TiO2压敏陶瓷过程中，烧结方式是影响压敏性能的重要因素，温度的选择及保温时间的选择都对材料性能有重要影响，常规烧结由于温度相对热压高，且烧结时间较长，晶粒尺寸很容易因烧结时间长而增大，对其性能会有所降低。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种TiO2压敏陶瓷的制备方法，克服传统TiO2压敏陶瓷烧结过程的不足，改善TiO2压敏陶瓷材料的微观结构，提高TiO2压敏陶瓷材料的压敏性能。 [0006] 本发明提供一种TiO2压敏陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：（1）将掺杂金属氧化物的TiO2复合粉末球磨、干燥、过300~350目标准筛后造粒，然后用 100 150Mpa的压力将造粒后的材料压制成块状材料； ~ （2）将步骤（1）得到的块状材料加热到600 800℃后进行排胶15 30min； ~ ~ （3）采用热压烧结的方式进行烧结，烧结工艺如下：以5 20℃/min的升温速率升温至~ 750 850℃，保温30min，以5 15℃/min的升温速率升温至1250 1450℃，保温30min，以5℃/~ ~ ~ min的降温速率降温100℃后保温2~5 h，再自然冷却至室温，得到TiO2压敏陶瓷。 [0007] 优选的，步骤（1）所述掺杂金属氧化物的TiO2复合粉末，即摩尔百分比0.3%~1%金属氧化物MOn和摩尔百分比99.0% 99.7%TiO2的混合粉末，其中MOn为V2O5、Sb2O3、Nb2O5、La2O3、~CeO2或Y2O3。 [0009] 优选的，步骤（1）所述造粒过程为：过筛后的粉末与聚乙烯醇水溶液按照质量比为10:1 5:1的比例混合研磨15 30min，过40 45目标准筛后用60 100Mpa压力预压成片，然后~ ~ ~ ~ 打碎球磨，再次过40 45目标准筛，其中，聚乙烯醇水溶液的质量百分比浓度为8 12%。 ~ ~ [0010] 优选的，步骤（3）中热压烧结压力为30 80Mpa。~ [0011] 本发明的有益效果为：（1）本发明可有效的降低二氧化钛相变的温度，并降低烧结温度，且操作简单； （2）本发明制备的压敏陶瓷，非线性系数大，漏电流小，介电常数高，符合低压压敏陶瓷应用要求； （3）本发明制备的压敏陶瓷，致密度高，微观结构均匀，没有晶粒异常长大现象。 附图说明 [0012] 图1本发明实施例1得到的V2O5掺杂TiO2压敏陶瓷的SEM图。 具体实施方式[0013] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。 [0014] 实施例1本实施例所述TiO2压敏陶瓷的制备方法，具体包括一下步骤： （1）首先将V2O5加入到TiO2中得到混合物料，该混合物料中V2O5占混合物料摩尔百分比 0.5％，混合物料放置在球磨罐中，加入水和无水乙醇的混合物球磨混合8h，其中无水乙醇和水按照质量比为1:3混合，水和无水乙醇混合物的加入量是粉末质量的三倍，将球磨后的混合物料放在干燥箱里80℃烘干、过320目标准筛，将干燥后的粉料按质量比为粉末：PVA水溶液（质量百分比浓度为9%）=5:1的比例加入PVA水溶液，研磨20min形状如鱼鳞状即表示混合均匀，再过40目标准筛，用60Mpa压力预压成块，然后打碎球磨，再次过40目标准筛，再用 150Mpa的压力将材料压制成小圆片（φ＝13mm，d＝1.5mm）； （2）将步骤（1）得到的小圆片逐渐加热到800℃后保温排胶30min，将加入的有机塑化剂排出； （3）采用热压烧结的方式进行烧结，烧结工艺如下：将步骤（2）得到的产物放入事先准备好的与压片模具规格相同的热压石墨模具内，且片状材料放入垫片间，并装入上、下冲头，再利用热压烧结在40 Mpa下，以10℃/min的升温速率升温至750℃，保温30min，以10℃/min的升温速率升温至1250℃，保温30min，以5℃/min的降温速率降温100℃后，在1150℃保温5h，再自然冷却至室温，最终制备得到V2O5掺杂TiO2压敏陶瓷。 [0015] 本实施例制备得到的V2O5掺杂TiO2压敏陶瓷进行SEM分析，如图1所示，本实施例制备得到的压敏陶瓷，致密度高，微观结构均匀，没有晶粒异常长大现象。 [0016] 将本实施例制备得到的压敏陶瓷进行表面加工，然后被电极，在500℃下烧银，经测试后封装，得到V2O5掺杂TiO2压敏电阻，该压敏电阻的压敏电压V1mA为3.4V/mm，非线性系数α为3.4，漏电流I L为125.7μA。 [0017] 实施例2本实施例所述TiO2压敏陶瓷的制备方法，具体包括一下步骤： （1）首先将Sb2O3加入到TiO2中得到混合物料，该混合物料中Sb2O3占混合物料摩尔百分比0.7％，混合物料放置在球磨罐中，加入水和无水乙醇的混合物球磨混合10h，其中无水乙醇和水按照质量比为1:5混合，水和无水乙醇混合物的加入量是粉末质量的三倍，将球磨后的混合物料放在干燥箱里80℃烘干、过300目标准筛，将干燥后的粉料按质量比为粉末：PVA水溶液（质量百分比浓度为8%）=7:1的比例加入PVA 水溶液，研磨30min形状如鱼鳞状即表示混合均匀，再过45目标准筛，用100Mpa压力预压成块，然后打碎球磨，再次过45目标准筛，再用100Mpa 的压力将粉料压制成小圆片（φ＝13mm，d＝1.5mm）； （2）将步骤（1）得到的小圆片逐渐加热到700℃后保温排胶20min，将加入的有机塑化剂排出； （3）采用热压烧结的方式进行烧结，烧结工艺如下：将步骤（2）得到的产物放入事先准备好的与压片模具规格相同的热压石墨模具内，且片状材料放入垫片间，并装入上、下冲头，再利用热压烧结在60 Mpa下，以20℃/min的升温速率升温至780℃，保温30min，以15℃/min的升温速率升温至1350℃，保温30min，以5℃/min的降温速率降温100℃后，在1250℃保温3h，再自然冷却至室温，最终制备得到Sb2O3掺杂TiO2压敏陶瓷。 [0018] 将本实施例制备得到的压敏陶瓷进行表面加工，然后被电极，在500℃下烧银，经测试后封装，得到Sb2O3掺杂TiO2压敏电阻，该电阻压敏电压V1mA为27.9V/mm，非线性系数α为4.3，漏电流I L为113.4μA。 [0019] 实施例3本实施例所述TiO2压敏陶瓷的制备方法，具体包括一下步骤： （1）首先将Nb2O5加入到TiO2中得到混合物料，该混合物料中Nb2O5占混合物料摩尔百分比0.6％，混合物料放置在球磨罐中，加入水和无水乙醇混合物球磨混合12h，其中无水乙醇和水按照质量比为1:4混合，水和无水乙醇混合物的加入量是粉末质量的三倍，将球磨后的混合物料放在干燥箱里80℃烘干、过350目标准筛，将干燥后的粉料按质量比为粉末：PVA水溶液（质量百分比浓度为10%）=10:1的比例加入PVA水溶液，研磨20min形状如鱼鳞状即表示混合均匀，再过45目标准筛，用80Mpa压力预压成块，然后打碎球磨，再次过45目标准筛，再用100Mpa的压力将粉料压制成小圆片（φ＝13mm，d＝1.5mm）； （2）将步骤（1）得到的小圆片逐渐加热到750℃后保温排胶15min，将加入的有机塑化剂排出； （3）采用热压烧结的方式进行烧结，烧结工艺如下：将步骤（2）得到的产物放入事先准备好的与压片模具规格相同的热压石墨模具内，且片状材料放入垫片间，并装入上、下冲头，再利用热压烧结在30 Mpa下，以5℃/min的升温速率升温至850℃，保温30min，以5℃/min的升温速率升温至1320℃，保温30min，以5℃/min的降温速率降温100℃后，在1220℃保温2h，再自然冷却至室温，最终制备得到Nb2O5掺杂TiO2压敏陶瓷。 [0020] 将本实施例制备得到的压敏陶瓷进行表面加工，然后被电极，在500℃下烧银，经测试后封装，得到Nb2O5掺杂TiO2压敏电阻，该电阻压敏电压V1mA为21.3V/mm，非线性系数α为4.1，漏电流I L为108.7μA。 [0021] 实施例4本实施例所述TiO2压敏陶瓷的制备方法，具体包括一下步骤： （1）首先将CeO2加入到TiO2中得到混合物料，该混合物料中CeO2占混合物料摩尔百分比 0.8％，混合物料放置在球磨罐中，加入水和无水乙醇的混合物球磨混合13h，其中无水乙醇和水按照质量比为1:3混合，水和无水乙醇混合物的加入量是粉末质量的三倍，将球磨后的混合物料放在干燥箱里80℃烘干、过350目标准筛，将干燥后的粉料按质量比为粉末：PVA 水溶液（质量百分比浓度为11%）=6:1的比例加入PVA 水溶液，研磨15min到形状如鱼鳞状即表示混合均匀，再过40目标准筛，用70Mpa压力预压成块，然后打碎球磨，再次过40目标准筛，再用120Mpa的压力将粉料压制成小圆片（φ＝13mm，d＝1.5mm）； （2）将步骤（1）得到的小圆片逐渐加热到650℃后保温排胶25min，将加入的有机塑化剂排出； （3）采用热压烧结的方式进行烧结，烧结工艺如下：将步骤（2）得到的产物放入事先准备好的与压片模具规格相同的热压石墨模具内，且片状材料放入垫片间，并装入上、下冲头，再利用热压烧结在50 Mpa下，以15℃/min的升温速率升温至800℃，保温30min，以10℃/min的升温速率升温至1300℃，保温30min，以5℃/min的降温速率降温100℃后，在1200℃保温3h，再自然冷却至室温，最终制备得到CeO2掺杂TiO2压敏陶瓷。 [0022] 将本实施例制备得到的压敏陶瓷进行表面加工，然后被电极，在500℃下烧银，经测试后封装，得到CeO2掺杂TiO2压敏电阻，该电阻压敏电压V1mA为6.92V/mm，非线性系数α为3.44，漏电流I L为325μA。 [0023] 实施例5本实施例所述TiO2压敏陶瓷的制备方法，具体包括一下步骤： （1）首先将La2O3加入到TiO2中得到混合物料，该混合物料中La2O3占混合物料摩尔百分比1％，混合物料放置在球磨罐中，加入水和无水乙醇的混合物球磨混合14h，其中无水乙醇和水按照质量比为1:5混合，水和无水乙醇混合物的加入量是粉末质量的三倍，将球磨后的混合物料放在干燥箱里80℃烘干、过350目标准筛，将干燥后的粉料按质量比为粉末：PVA水溶液（质量百分比浓度为9%）=8:1的比例加入PVA水溶液，研磨25min形状如鱼鳞状即表示混合均匀，再过45目标准筛，用80Mpa压力预压成块，然后打碎球磨，再次过45目标准筛，再用 150Mpa的压力将材料压制成小圆片（φ＝13mm，d＝1.5mm）； （2）将步骤（1）得到的小圆片逐渐加热到600℃后保温排胶30min，将加入的有机塑化剂排出； （3）采用热压烧结的方式进行烧结，烧结工艺如下：将步骤（2）得到的产物放入事先准备好的与压片模具规格相同的热压石墨模具内，且片状材料放入垫片间，并装入上、下冲头，再利用热压烧结在80 Mpa下，以5℃/min的升温速率升温至850℃，保温30min，以12℃/min的升温速率升温至1450℃，保温30min，以5℃/min的降温速率降温100℃后，在1350℃保温4h，再自然冷却至室温，最终制备得到La2O3掺杂TiO2压敏陶瓷。 [0024] 将本实施例制备得到的压敏陶瓷进行表面加工，然后被电极，在500℃下烧银，经测试后封装，得到La2O3掺杂TiO2压敏电阻，该电阻压敏电压V1mA为5.7V/mm，非线性系数α为3.6，漏电流I L为208μA。 [0025] 实施例6本实施例所述TiO2压敏陶瓷的制备方法，具体包括一下步骤： （1）首先将Y2O3加入到TiO2中得到混合物料，该混合物料中Y2O3占混合物料摩尔百分比 1％，混合物料放置在球磨罐中，加入水和无水乙醇的混合物球磨混合15h，其中无水乙醇和水按照质量比为1:3混合，水和无水乙醇混合物的加入量是粉末质量的三倍，将球磨后的混合物料放在干燥箱里80℃烘干、过300目标准筛，将干燥后的粉料按质量比为粉末：PVA水溶液（质量百分比浓度为8%）=10:1的比例加入PVA水溶液，研磨25min形状如鱼鳞状即表示混合均匀，再过40目标准筛，用100Mpa压力预压成块，然后打碎球磨，再次过40目标准筛，再用 140Mpa 的压力将粉料压制成小圆片（φ＝13mm，d＝1.5mm）； （2）将步骤（1）得到的小圆片逐渐加热到800℃后保温排胶30min，将加入的有机塑化剂排出； （3）采用热压烧结的方式进行烧结，烧结工艺如下：将步骤（2）得到的产物放入事先准备好的与压片模具规格相同的热压石墨模具内，且片状产物放入垫片间，并装入上、下冲头，再利用热压烧结在70 Mpa下，以5℃/min的升温速率升温至800℃，保温30min，以10℃/min的升温速率升温至1350℃，保温30min，以5℃/min的降温速率降温100℃后，在1250℃保温4h，再自然冷却至室温，最终制备得到Y2O3掺杂TiO2压敏陶瓷。 [0026] 将本实施例制备得到的压敏陶瓷进行表面加工，然后被电极，在500℃下烧银，经测试后封装，得到Y2O3掺杂TiO2压敏电阻，所述该电阻压敏电压V1mA为8.2V/mm，非线性系数α为3.9，漏电流I L为165μA。 |
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