[發明專利]一種寬溫區負溫度系數熱敏陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810346749.X
• 申請日: 2018-04-18
• 公開（公告）號: CN108546114B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 傅邱云;周東祥
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01C7/10
• 分類號: H01C7/10;C04B35/468;C04B35/626;C04B35/64
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明公開了一種寬溫區負溫度系數熱敏陶瓷材料及其制備方法，其中負溫度系數熱敏陶瓷材料的原材料組成包括BaTiO₃、TiO₂、M₁O、M₂O、M₃O、M₄O以及M₅O，M₁為Sm、Nd、Y、La、以及Nb中至少1種元素；M₂為Si、Al、以及Ti中的至少2種元素；M₃為Sr、以及Pb中的至少1種元素與Ca元素的組合；M₄為Sb、以及Bi中的至少1種元素；M₅為Na、K、以及Li中的至少1種元素。本發明通過對陶瓷材料關鍵的組成成分，相應制備方法的整體流程工藝、各個反應步驟的條件參數進行改進和進一步優選，通過對鈦酸鋇基半導體熱敏陶瓷進行摻雜改性，能夠獲得鈦酸鋇基、測量溫區達300度以上的寬溫區NTC熱敏陶瓷材料。

技術領域

本發明屬于功能陶瓷材料技術領域，更具體地，涉及一種寬溫區負溫度系數熱敏陶瓷材料及其制備方法，尤其是一種BaTiO₃基負溫度系數(NTC)熱敏陶瓷材料及其制備方法。

背景技術

典型的NTC熱敏陶瓷多是以錳、鈷、鎳等過渡金屬氧化物為基的半導體陶瓷材料，其特點是材料的電阻率隨環境溫度上升而呈指數型下降，從而產生負的電阻溫度(NTC)特性。利用這類陶瓷材料可制成各類溫度傳感器，具有結構簡單、成本低廉及安全可靠等一系列優點而廣泛應用于各種家用電器、汽車電子、自動控制以及電子設備等領域，具有很高的實用價值和經濟價值。

以錳、鈷、鎳等過渡金屬氧化物為基的半導體熱敏陶瓷材料的導電機制十分復雜，一般認為屬于極化子導電，而在多元材料體系中由于多種離子缺陷(金屬缺位、離子變價等)的存在，其電導率的決定因素復雜而多變，但通?？梢源笾掠萌缦聰祵W表達式進行描述：

式中：ΔH_f為電離缺陷激活能，ΔH_m為載流子遷移激活能。一般情況下ΔH_f、ΔH_m都是與溫度有關的參數，只有在誤差允許的比較窄的溫度范圍內才可近似看做常數，此時(1)式可簡化為：

由于以錳、鈷、鎳等過渡金屬氧化物為基的NTC半導體熱敏陶瓷材料的B值相關因素較多，導致不可能制備成測量溫度范圍很寬，且精度要求很高的溫度傳感器，只能分溫區制備不同材料配比的傳感器來實現寬溫區精確測量。同時，此類半導體陶瓷材料技術上很難制備出低電阻率、高B值和高電阻率、低B值的熱敏材料，因而限制了其應用領域和測量范圍。

變換式(2)可得：

利用式(3)可求得材料B值，其中R₁是對應溫度為T₁(如25℃)時的電阻值，R₂是對應溫度為T₂(如85℃)時的電阻值。T₁、T₂也可根據元件的測量溫度范圍確定。

另一方面，眾所周知，以鈦酸鋇為基的半導體陶瓷是一類典型的正溫度系數(PTC)熱敏材料，其特點是當溫度上升到某一特定溫度時(居里點或稱開關溫度點)其電阻率將猛增幾個數量級，出現開關似的PTC效應，而在居里點之前電阻隨溫度變化很小，室溫到居里溫度區間電阻變化率不大于1個數量級。用這種材料的PTC效應作為發熱體其發熱功率幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因而有自動恒溫的功能。同時，利用材料在居里溫度以上的PTC特性也可制備成溫度傳感元件，但這種熱敏元件測量溫區很窄(一般為室溫到100℃)，應用范圍有限，只有在汽車水溫測量與控制方面等少數領域得到應用。

本發明采用缺陷化學和材料半導體化技術，對鈦酸鋇陶瓷進行摻雜改性，大幅提高材料居里溫度以下的載流子濃度，從而提高材料的NTC效應并降低PTC效應，同時通過居里點的移動實現寬溫區測量。