[發(fā)明專利]高電導(dǎo)率氧化鋅陶瓷及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310656957.7
• 申請日: 2013-12-09
• 公開（公告）號: CN103693954A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃瑾;黃豐;丁凱;顏峰坡;黃嘉魁;呂佩文;林鐘潮
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
• 主分類號: C04B35/453
• 分類號: C04B35/453;C04B35/622
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高壓氧氣氛下燒結(jié)制備高電導(dǎo)率氧化鋅陶瓷的方法，屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

導(dǎo)電陶瓷材料是指陶瓷材料中具備離子導(dǎo)電、電子/空穴導(dǎo)電的一種新型功能材料。ZnO導(dǎo)電陶瓷具有線性的V-I特性、可調(diào)的電阻率,可作為大功率線性電阻用于電力傳輸線路中性點(diǎn)接地電阻器,可以通過相當(dāng)大的電流和承受很高的能量。[1]由于ZnO本征缺陷，如Zn占據(jù)O位(ZnO)、填隙鋅原子(Zn_I)或氧空位(V_O)的存在，使其偏離理想化學(xué)配比，ZnO在常溫下呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電特性。為提高導(dǎo)電陶瓷的導(dǎo)電能力，常采用在氧化鋅中摻入三價(jià)金屬離子等形成施主摻雜，提高載流子濃度。[2]常用的ZnO導(dǎo)電陶瓷制備方法有固相燒結(jié)法。然而采用固相燒結(jié)法必須在很高的溫度下燒結(jié),其燒結(jié)溫度范圍是1100-2000℃。由于在高溫下ZnO中的Zn和O容易逃逸,導(dǎo)致燒結(jié)后產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度不高且不穩(wěn)定。因而迫切需要一種獲得高導(dǎo)電性和致密度氧化鋅陶瓷的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)制備出電阻率更低、更致密的氧化鋅基導(dǎo)電陶瓷。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在強(qiáng)氧化性氣氛下制備含高濃度鋅空位的陶瓷，加入氧化鋁等候，Al³⁺后填入鋅空位，提供大量電子，提高了陶瓷的電導(dǎo)率。同時(shí)高壓氧氣氛燒結(jié)避免高溫時(shí)氧化鋅中O的逃逸，使Zn和O的化學(xué)配比不偏離，完善了晶格，提高燒結(jié)的致密度程度，細(xì)化晶粒，從而提高陶瓷質(zhì)量。經(jīng)此處理后的陶瓷的致密度和電導(dǎo)率都得到了極大的提升。

本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

這種高電導(dǎo)率氧化鋅陶瓷中摻入了化合價(jià)較高、離子半徑與鋅離子較接近的施主雜質(zhì)，摻雜質(zhì)量百分含量為3%～5%。其中，施主雜質(zhì)優(yōu)選為Al^3＋、Ga^3＋。這種氧化鋅陶瓷的載流子濃度大于10¹⁹cm^-3，電阻率小于0.065(Ω·cm)，載流子遷移率大于8(cm²·V^-1·s^-1)，熱導(dǎo)率32.171W/(m·K)。

這種氧化鋅陶瓷的制備方法是在高壓氧氣氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。所述的高壓氧氣氣氛壓力優(yōu)選為為20～60個(gè)大氣壓。

本方法制備的氧化鋅導(dǎo)電陶瓷與傳統(tǒng)純氧化鋅陶瓷相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：顯著改善其導(dǎo)電性能，從而達(dá)到高溫氧化中發(fā)熱原件的要求，用于制作大功率固定電阻；另外解決了純氧化鋅陶瓷燒結(jié)溫度過高的難題，此方法制備的摻雜的氧化鋅陶瓷，其燒結(jié)溫度只有800℃。

附圖說明

附圖為燒結(jié)出的ZnO陶瓷X射線粉末衍射圖。

具體步驟如下：

1）選用純度為99.99%的氧化鋅粉體、純度為99.99%的氧化鋁粉體為原料，按:ZnO+x?wt%Al₂O₃配比配料,加適量蒸餾水和乙醇分散劑,研磨2小時(shí),充分粉碎混合后干燥,以150MPa壓力將造粒料壓制成圓片生坯；

2）將圓片生坯放入燒結(jié)爐中；

3）利用機(jī)械泵對退火爐進(jìn)行抽真空。

4）將氧氣通入退火爐中，在加壓力的情況下燒結(jié)；

5）設(shè)置燒結(jié)溫度控制的過程。首先，從常溫經(jīng)過10個(gè)小時(shí)到400℃左右燒結(jié)一段時(shí)間，保溫3小時(shí)，趕跑爐內(nèi)水汽，再經(jīng)過12小時(shí)升到800℃，在800℃維持12個(gè)小時(shí)，再從800℃經(jīng)過2個(gè)小時(shí)降低500℃，然后在500℃維持6個(gè)小時(shí)，最后自然降溫；

所述的配比配料Al₂O₃的添加量x=3%～5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

所述的退火爐，所達(dá)到的真空度為4～5Pa。

所述通入氧氣燒結(jié)過程中，燒結(jié)爐的壓力為20～60個(gè)大氣壓。

所述燒結(jié)過程采用分布升降溫法可以，減小爐內(nèi)的溫差，有助于提高材料的致密性。

本發(fā)明的有益效果：氧氣氣氛燒結(jié)使ZnO陶瓷的載流子濃度獲得了極大地提升，電阻率下降，經(jīng)過高壓燒結(jié)的致密度也大大增加，樣品相對密度達(dá)到為95%，燒結(jié)后的薄膜置于100℃空氣中經(jīng)過4周，電阻率維持在0.063Ω·cm沒有任何變化。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施例1：