CN101234894A - 非线性高介电氧化物压敏陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基体组成为Ca_2－xCu₂Ti₄O₁₂的新型高介电非线性压敏陶瓷材料及其制备方法，其中x＝0.0～1.0。该材料以CaCO₃，CuO和TiO₂作为原材料，按一定组成配备；配完的原料在一定温度下烧结，合成前驱体粒子，然后造粒，在一定压力下干压成型；成型后的材料在高温空气中烧结5～14小时，获得Ca_2－xCu₂Ti₄O₁₂基新型高介电非线性压敏陶瓷材料。本发明通过改变CaO的含量组成和烧结工艺，可以调控该材料体系的介电性能和非线性压敏性能，能够获得理想的压敏陶瓷材料。

Description

非线性高介电氧化物压敏陶瓷及其制备方法

本发明属于材料科学领域，特征是氧化物基陶瓷非线性压敏电阻材料及其制备方法，特别涉及到一种Ca_2-xCu₂Ti₄O₁₂基高介电非线性压敏陶瓷材料及其合成方法。

非线性电阻器件是电力系统和电子系统关键的过电压保护器件，用于吸收电涌能量，防止电涌对电子设备或系统的破坏，对确保电力系统及电子系统的可靠运行具有重大意义。从SiC的压敏特性被发现开始，人们又陆续发现了Se、Cu₂O、TiO₂、BaTiO₃、SrTiO₃、ZnO等具有压敏特性的材料，它们被广泛地制成各种浪涌吸收器，用作设备的稳压、触点消弧和瞬态过电压保护。随着各种半导体元件陆续地出现和迅速发展，在电子设备中，由于浪涌会造成半导体元件误动作、特性劣化甚至损坏，因此，需要动作电压低、电压-电流非线性特性好的浪涌吸收器，用以保护半导体元件，而曾经广泛使用的碳化硅、硒和硅等压敏电阻器，因其介电常数低，非线性差，且不能正确控制起始动作电压，故不能满足新技术发展的需要。随着电子信息技术，特别是混和集成电路和表面封装技术的不断发展，新型多功能化、微小型化、高可靠性的金属氧化物基功能陶瓷元器件越来越多的受到关注，有望取代传统的ZnO基材料，改善电力系统避雷器电位分布，简化高压避雷器的结构，同时减小陶瓷非线性电阻的体积，为电子系统，特别是微电子系统的小型化，微型化起到非常重要的作用。

本发明的目的是提供一种具有介电-压敏双功能的Ca_2-xCu₂Ti₄O₁₂基高介电非线性压敏陶瓷材料，其中x＝0.0～1.0。将预烧结的前驱体粒子，经造粒、成型、在一定工艺条件下烧结，即可获得Ca_2-xCu₂Ti₄O₁₂基压敏陶瓷材料。相对于传统ZnO基压敏陶瓷材料，它具有高介电常数和良好的温度稳定性，很好的压敏非线性，是一种不含Bi和Pb的类钙钛矿系，具有良好环境保护性能的非线性压敏陶瓷电阻器。

本发明的目的是提供一种合成Ca_2-xCu₂Ti₄O₁₂基介电非线性陶瓷材料的新工艺。以CaCO₃，CuO和TiO₂作为原材料，按Ca_2-xCu₂Ti₄O₁₂(x＝0.0～1.0)配备样品；首先在850～950℃烧结10小时合成前驱体粒子，然后造粒；在3～10Mpa下，将前驱体粒子干压成型；在1150～1350℃的空气中烧结5～14小时，获得Ca_2-xCu₂Ti₄O₁₂基新型高介电非线性压敏陶瓷材料。通过改变CaO含量组成和烧结工艺，可以调控该材料体系的介电性能和非线性压敏性能。

附图说明：

图1为实施例1合成的高介电非线性压敏陶瓷材料的XRD图谱；

图2为实施例1合成的高介电非线性压敏陶瓷材料的电流-电压(I-V)曲线；

图3为实施例1合成的高介电非线性压敏陶瓷材料的介电频谱。

本发明合成的新型非线性高介电压敏陶瓷材料，可通过下列非限定性实施例，得到更加清楚的描述。

实施例：

实施例1：

称取CaCO₃100g，CuO81.5g和TiO₂159.8g，于950℃空气中烧结5小时，预烧粉体经过粉碎，球磨混合，造粒，干压成型，在1150℃空气中烧结6小时，获得Ca₂Cu₂Ti₄O₁₂基非线性压敏陶瓷材料。

本实施例所合成的材料，X射线衍射分析测试结果表明，物相为CaCu₃Ti₄O₁₂和CaTiO₃混合相。该材料介电常数ε＝6620(1kHz)，介电损耗tanδ＝0.06。非线性系数为13，压敏电压约320V/mm。参见说明书附图1、2、3所示。

实施例2：

称取CaCO₃100g，CuO244.5g和TiO₂639.2g，于900℃空气中烧结8小时，预烧粉体经过粉碎，球磨混合，造粒，干压成型，在1150℃空气中烧结6小时，获得Ca₂Cu₂Ti₄O₁₂基非线性压敏陶瓷材料。

本实施例所合成的材料，X射线衍射分析测试结果表明，物相为CaCu₃Ti₄O₁₂相。该材料介电常数介电常数ε为12309(1kHz)，介电损耗tanδ＝0.12。其非线性系数为8.6，压敏电压约110V/mm。

实施例3：

称取CaCO₃60g，CuO81.5g和TiO₂159.8g，于900℃空气中烧结10小时，预烧粉体经过粉碎，球磨混合，造粒，干压成型，在1200℃空气中烧结12小时，获得Ca₂Cu₂Ti₄O₁₂基非线性压敏陶瓷材料。

本实施例所合成的材料，X射线衍射分析测试结果表明，物相为CaCu₃Ti₄O₁₂和CaTiO₃混合相。该材料介电常数ε＝7640(1kHz)，介电损耗tanδ＝0.03。非线性系数为9.8，压敏电压约430V/mm。

实施例4：

称取CaCO₃80g，CuO81.5g和TiO₂159.8g，于950℃空气中烧结5小时，预烧粉体经过粉碎，球磨混合，造粒，干压成型，在1300℃空气中烧结8小时，获得Ca₂Cu₂Ti₄O₁₂基非线性压敏陶瓷材料。

本实施例所合成的材料，X射线衍射分析测试结果表明，物相为CaCu₃Ti₄O₁₂和CaTiO₃混合相。该材料介电常数ε＝9254(1kHz)，介电损耗tanδ＝0.04。非线性系数为7.8，压敏电压约370V/mm。

实施例5：

称取CaCO₃60g，CuO81.5g和TiO₂159.8g，于980℃空气中烧结8小时，预烧粉体经过粉碎，球磨混合，造粒，干压成型，在1300℃空气中烧结6小时，获得Ca₂Cu₂Ti₄O₁₂基非线性压敏陶瓷材料。

本实施例所合成的材料，X射线衍射分析测试结果表明，物相为CaCu₃Ti₄O₁₂和CaTiO₃混合相。该材料介电常数ε＝5448(1kHz)，介电损耗tanδ＝0.02。非线性系数为11.5，压敏电压约310V/mm。

Claims (5)

1、一种新型非线性高介电压敏陶瓷材料，其特征在于它的基质组成为Ca_2-xCu₂Ti₄O₁₂，其中x＝0.0～1.0。

2、如权利要求1所述的非线性高介电压敏陶瓷材料，其合成方法包括：

①以CaCO₃，CuO和TiO₂作为原材料，按组成式Ca_2-xCu₂Ti₄O₁₂，其中x＝0.0～1.0，配备样品；

②在一定温度下烧结10小时合成前驱体粒子，然后造粒；

③在一定压力下将前驱体粒子干压成型；

④在高温空气中烧结5～14小时，获得Ca_2-xCu₂Ti₄O₁₂，基新型高介电非线性压敏陶瓷材料。

3、根据权利要求2的合成方法，其中所述合成前驱体粒子的烧结温度为850～950℃。

4、根据权利要求2的合成方法，其中所述前驱体粒子干压成型的压力为3～10Mpa。

5、根据权利要求2的合成方法，其中所述新型高介电非线性压敏陶瓷材料的烧结温度为1150～1350℃。

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