[發(fā)明專利]一種基于二氧化錫的低殘壓比壓敏陶瓷材料的制備方法

無效

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• 申請日: 2010-11-05
• 公開（公告）號: CN102030523A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏喬苑;何金良;胡軍
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: C04B35/457
• 分類號: C04B35/457;C04B35/622
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于二氧化錫的低殘壓比壓敏陶瓷材料的制備方法，屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

壓敏陶瓷材料是指在某一特定電壓范圍內(nèi)具有非線性的I-V特性的一種半導(dǎo)體陶瓷材料。其電學(xué)性質(zhì)可以用下式描述：J＝kE^α，式中J是電流密度，E為電場強(qiáng)度，k是與材料有關(guān)的常數(shù)，α是非線性系數(shù)(α＞1)根據(jù)這種非線性的I-V特性制成的壓敏電阻器可以用于抑制浪涌電流、過電壓保護(hù)，被廣泛用于保護(hù)電力設(shè)備安全、保障電子設(shè)備正常穩(wěn)定工作。

目前應(yīng)用最廣的是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的ZnO壓敏電阻器。ZnO壓敏陶瓷因具有良好的I-V非線性特性和耐沖擊能力而廣泛應(yīng)用于過壓保護(hù)和浪涌電流吸收等裝置中。但由于摻雜量大，ZnO壓敏材料包含多相結(jié)構(gòu)，他的溫度穩(wěn)定性和老化問題一直沒有得到根本的改善，在高壓領(lǐng)域的應(yīng)用也受到限制。為了尋找性能更好的壓敏材料，科學(xué)工作者們也在不斷的探索新的材料。

1995年，S.A.Pianaro等人首次發(fā)現(xiàn)少量摻雜的SnO₂陶瓷材料具有良好的致密性和電學(xué)非線性。SnO₂是一種具有金紅石結(jié)構(gòu)的n型半導(dǎo)體。與ZnO壓敏材料復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)迥然不同，這種材料只有一種相結(jié)構(gòu)，具有較好的穩(wěn)定性。只需少量的摻雜，就可大幅度提高其致密度和壓敏性能。與ZnO相比它同時還具有其他一些優(yōu)點，如通過摻雜改性研究發(fā)現(xiàn)，在提高電學(xué)性能的同時，SnO₂壓敏材料的電壓梯度可通過極少量的受主摻雜提高數(shù)十倍，這為壓敏元件的小型化提供了必要條件，SnO₂壓敏材料的熱導(dǎo)率近乎為ZnO壓敏材料的兩倍，可以提高器件的散熱性能和壽命，在泄放浪涌電流時也不會因受熱不均而在熱應(yīng)力的作用下開裂破壞。科學(xué)工作者們對SnO₂壓敏陶瓷的性能進(jìn)行了廣泛、深入的研究，文獻(xiàn)中SnO₂壓敏陶瓷的非線性系數(shù)α多在8～50之間。雖然SnO₂壓敏陶瓷的壓敏特性已經(jīng)可以做到與ZnO壓敏陶瓷相比擬，但其浪涌吸收能力卻不及后者，主要是因為其殘壓比過大。殘壓比的定義公式為K_R＝U_R/U_N，即在規(guī)定波形(8/20μs標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流)下，脈沖電流密度550A/cm²下的殘壓與直流1mA電壓之比。殘壓比可以比較直觀的反應(yīng)出壓敏電阻限制過電壓的能力，表明材料在大電流區(qū)域的電壓非線性特性，一般情況下殘壓比應(yīng)≤3，越小越好。一般使用的商業(yè)ZnO壓敏電阻的殘壓比在1.7左右，而大部分SnO₂壓敏陶瓷的殘壓比在2以上殘壓比在壓敏材料的研究工作中已得到廣泛的應(yīng)用，是考察防雷壓敏電阻、避雷器閥片和高性能壓敏電阻閥片性能的重要指標(biāo)。

綜上所述，目前還沒有SnO₂壓敏陶瓷材料同時滿足高非線性和低殘壓兩個目標(biāo)，還不足以滿足實際應(yīng)用的需要或替代ZnO壓敏電阻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種基于二氧化錫的低殘壓比壓敏陶瓷材料的制備方法，針對現(xiàn)有SnO₂壓敏陶瓷材料殘壓比較高的問題，對配方進(jìn)行改進(jìn)，以降低壓敏陶瓷材料的殘壓比，同時使制備工藝簡單，容易操作。

本發(fā)明提出的基于二氧化錫的低殘壓比壓敏陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備壓敏陶瓷材料時原料中各組分的摩爾百分比為：

SnO₂????????????????99.39％～99.42％

Co₂O₃???????????????0.5％

Cr₂O₃???????????????0.02％～0.04％

Nb₂O₅???????????????0.06％～0.07％

(2)按上述各組分按配方稱重后混合，在混合物中加入適量無水乙醇，球磨8小時；

(3)球磨后的漿料烘干12小時，過80目篩，得到的粉料在160MPa的壓力下壓成直徑11.5mm、厚約1mm的圓片，得到陶瓷坯體；

(4)將上述陶瓷坯體加熱至900℃時，保溫80分鐘，繼續(xù)加熱至1300℃，燒結(jié)1小時。