專利名稱：一種CaTiO₃基壓敏-電容雙功能陶瓷材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氧化物陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種CaTi03基壓敏一電容 雙功能陶瓷材料及其合成方法。
背景技術(shù)：
壓敏陶瓷是指在一定溫度下和某一特定電壓范圍內(nèi)具有非線性伏安特性，其 電阻隨電壓的增加而急劇減小的一種半導(dǎo)體陶瓷材料。根據(jù)這種伏安特性，可以 用這種半導(dǎo)體陶瓷材料制成非線性電阻器，即壓敏電阻器。若壓敏電阻器同時(shí)還 有顯著電容效應(yīng)，則稱之為壓敏一電容雙功能元件，使用時(shí)相當(dāng)于一只壓敏電阻 器和一只電容器相并聯(lián)組合的效果，能起到過(guò)電壓保護(hù)和濾除噪聲的雙重作用， 有良好的電磁兼容性，對(duì)保證電路的正常運(yùn)行無(wú)疑是更有效的。隨著電子信息技 術(shù)，特別是混和集成電路和表面封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，新型功能陶瓷元器件越來(lái) 越多的受到關(guān)注，其發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在器件的微小型化、多功能化、集成化、 片式化、高可靠性。這要求對(duì)低壓化的微集成裝置加強(qiáng)保護(hù)，故作為保護(hù)元件的 壓敏電阻也日益走向低壓、微型、多功能、高可靠高穩(wěn)定。金屬氧化物基陶瓷非 線性電阻器件(如ZnO、 Sn02、 Ti02、 SrTK)3等)是電力系統(tǒng)和電子系統(tǒng)關(guān)鍵的 過(guò)電壓保護(hù)器件，用于吸收電涌能量，防止電涌對(duì)電子設(shè)備或系統(tǒng)的破壞。研究 表明提高壓敏電阻片的介電常數(shù)能明顯改善避雷器內(nèi)壓敏電阻柱的電位分布的 均勻性，能保證電位分布均勻，大大簡(jiǎn)化了避雷器的結(jié)構(gòu)。目前ZnO、 Ti02基壓 敏電阻，材料的相對(duì)介電常數(shù)比較低，導(dǎo)致避雷器內(nèi)壓敏電阻柱的電位分布很不 均勻，從而導(dǎo)致這些壓敏電阻的加速老化，危及避雷器的安全運(yùn)行。盡管SrTi03 壓敏陶瓷其介電常數(shù)可以達(dá)到幾千甚至上萬(wàn)，但是純的SrTi03為絕緣體， 一般要首先使其半導(dǎo)化，通過(guò)摻雜高價(jià)離子取代相應(yīng)的陽(yáng)離子，并在還原氣氛中燒結(jié)處
理，才能獲得。其工藝相對(duì)比較復(fù)雜，和不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種CaTi03基壓敏一電容雙功能陶瓷材料，其特征在于，在 CaTi03基底中摻雜CuO，其中，(Ca離子+Cu離子)與Ti離子的摩爾比為1:1 ， Cu離子與Ti離子的摩爾比為0.01:1 0.7:1。
本發(fā)明還提供了一種CaTi03基壓敏一電容雙功能陶瓷材料的制備方法，其
步驟是
(1) 按上述比例稱取CaC03， CuO和Ti02，并均勻混合；
(2) 將混合后的材料在800 1000 。C的溫度下，燒結(jié)2小時(shí)，完成物相的 成相階段；
(3) 造粒后、在3 10Mpa的條件下干壓成型；
(4) 在1000 1300°C的溫度下，空氣中燒結(jié)3小時(shí)，即可得到CaTi03基 壓敏一 電容雙功能陶瓷材料。
本發(fā)明的有益效果為具有壓敏和電容雙功能，能起到過(guò)電壓保護(hù)和濾除噪 聲的雙重作用，有良好的電磁兼容性；不含鉍(Bi)和鉛(Pb)及其氧化物等有 毒物質(zhì)，對(duì)環(huán)境的污染??；具有較高介電常數(shù)和良好的頻率穩(wěn)定性，很好的壓敏 非線性，具有廣闊應(yīng)用前景；通過(guò)改變CuO摻雜含量，可以調(diào)控該材料體系的 介電性能和非線性壓敏性能；制備方法簡(jiǎn)單，易操作。


圖1為實(shí)施例1中所得陶瓷材料的介電性能隨頻率的關(guān)系； 圖 為實(shí)施例2中所得陶瓷材料的介電性能隨頻率的關(guān)系； 圖3為實(shí)施例2中所得陶瓷材料的I-V曲線；圖4為實(shí)施例3中所得陶瓷材料的X射線衍射分析(XRD)圖譜； ,圖5為實(shí)施例3中所得陶瓷材料的介電性能隨頻率的關(guān)系； 圖6為實(shí)施例3中所得陶瓷材料的I-V曲線； 圖7為實(shí)施例4中所得陶瓷材料的介電性能隨頻率的關(guān)系； 圖8為實(shí)施例4中所得陶瓷材料的I-V曲線； 圖9為實(shí)施例5中所得陶瓷材料的介電性能隨頻率的關(guān)系； 圖10為實(shí)施例5中所得陶瓷材料的I-V曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種CaTi03基壓敏一電容雙功能陶瓷材料及其制備方法，下 面通過(guò)具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明。 實(shí)施例l:
按照Ca,Cu謹(jǐn)Ti03的配比稱取CaC03、 CuO和Ti02，均勻混合后，通過(guò)預(yù) 燒成工藝，在900。C空氣中燒結(jié)2小時(shí)，完成材料物相的成相階段。然后，通過(guò) 造粒工藝，在3Mpa下干壓成型，在1200°C的空氣中燒結(jié)3小時(shí)，燒制成陶瓷 材料。
對(duì)該陶瓷材料進(jìn)行X射線衍射分析(XRD)測(cè)試，結(jié)果表明，該陶瓷材料的物 相為CaTi03;對(duì)該型號(hào)陶瓷材料進(jìn)行介電性能測(cè)試，圖1為該陶瓷材料的介電性 能隨頻率的關(guān)系，可以看出，在室溫條件下，在外電場(chǎng)lKHz至lj 100KHz范圍的 內(nèi)，相對(duì)介電常數(shù)s在60到100之間，介電損耗tanS〉0.02。
實(shí)施例2:
按照Cao.9CucuTi03的配比稱取CaC03、 CuO和Ti02，均勻混合后，通過(guò)預(yù) 燒成工藝，在80(TC空氣中燒結(jié)2小時(shí)，完成材料物相的成相階段。然后，通過(guò) 造粒工藝，在5Mpa下干壓成型，在U00。C空氣中燒結(jié)3小時(shí)，即獲得壓敏一電容雙功能陶瓷材料。
對(duì)該型號(hào)陶瓷材料進(jìn)行X射線衍射分析(XRD)測(cè)試，結(jié)果表明，該陶瓷材料 的物相為CaTi03和CCTO (CaCu3Ti4012);對(duì)該型號(hào)陶瓷材料進(jìn)行介電性能測(cè)試， 圖2為該陶瓷材料的介電性能隨頻率的關(guān)系，可以看出，在室溫條件下，在外電 場(chǎng)lKHz到100KHz范圍的內(nèi)，相對(duì)介電常數(shù)s在100到700之間，介電損耗tan S 〉0. 3，圖3為該陶瓷材料的I-V曲線，其非線性系數(shù)為1.65。
實(shí)施例3:
按照Cao.6Cuo.4Ti03的配比稱取CaC03、 CuO和Ti02，均勻混合后，通過(guò)預(yù) 燒成工藝，在1000。C空氣中燒結(jié)2小時(shí)，完成材料物相的成相階段。然后，通 過(guò)造粒工藝，在5Mpa下干壓成型，在U00。C空氣中燒結(jié)3小時(shí)，即獲得壓敏 一電容雙功能陶瓷材料。
對(duì)該型號(hào)陶瓷材料進(jìn)行X射線衍射分析(XRD)測(cè)試，圖4為該陶瓷材料的X 射線衍射分析(XRD)圖譜，結(jié)果表明，該陶瓷材料的物相為CaTi03和CCTO (CaCu3Ti4012);對(duì)該型號(hào)陶瓷材料進(jìn)行介電性能測(cè)試，圖5為該陶瓷材料的介電 性能隨頻率的關(guān)系，可以看出，在室溫條件下，在外電場(chǎng)lKHz到100KHz范圍 的內(nèi)，相對(duì)介電常數(shù)e在740到780之間，介電損耗tan S《0. 02，圖6為該陶 瓷材料的I-V曲線，其非線性系數(shù)為5.65，壓敏電壓約570V/mm。
實(shí)施例4:
按照Cao.5Cuo.5Ti03的配比稱取CaC03、 CuO和Ti02，均勻混合后，通過(guò)預(yù) 燒成工藝，在900。C空氣中燒結(jié)2小時(shí)，完成材料物相的成相階段。然后，通過(guò) 造粒工藝，在3Mpa下干壓成型，在1300°C空氣中燒結(jié)3小時(shí)，即獲得壓敏一
電容雙功能陶瓷材料。
對(duì)該型號(hào)陶瓷材料進(jìn)行X射線衍射分析(XRD)測(cè)試，結(jié)果表明，該陶瓷材料的物相為CaTi03和CCTO (CaCu3Ti4012);對(duì)該型號(hào)陶瓷材料進(jìn)，介電性能測(cè)試， 圖7為該陶瓷材料的介電性能隨頻率的關(guān)系，可以看出，在室溫條件下，在外電 場(chǎng)lKHz到100KHz范圍的內(nèi)，相對(duì)介電常數(shù)s在1650到1750之間，介電損耗 tanS<0.04，圖8為該陶瓷材料的I-V曲線，其非線性系數(shù)為5.39，壓敏電壓約 2術(shù)/mm。 實(shí)施例5:
按照Cao.4Cuo.6丁i03的配比稱取CaC03、 CuO和Ti02，均勻混合后，通過(guò)預(yù) 燒成工藝，在900。C空氣中燒結(jié)2小時(shí)，完成材料物相的成相階段。然后，通過(guò) 造粒工藝，在7Mpa下干壓成型，在1000°C空氣中燒結(jié)3小時(shí)，即獲得壓敏一 電容雙功能陶瓷材料。
對(duì)該型號(hào)陶瓷材料進(jìn)行X射線衍射分析(XRD)測(cè)試，結(jié)果表明，該陶瓷材料 的物相為CaTiC)3和CCTO (CaCu3Ti4012);對(duì)該型號(hào)陶瓷材料進(jìn)行介電性能測(cè)試， 圖9為該陶瓷材料的介電性能隨頻率的關(guān)系，可以看出，在室溫條件下，在外電 場(chǎng)lKHz到100KHz范圍的內(nèi)，相對(duì)介電常數(shù)s在2350到2500之間，介電損耗 tan S 〈0.04，圖10為該陶瓷材料的I-V曲線，其非線性系數(shù)為5.36，壓敏電壓約 230V/mm。
以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明的幾個(gè)典型的具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種修改。
權(quán)利要求
1.一種CaTiO3基壓敏-電容雙功能陶瓷材料，其特征在于，在CaTiO3基底中摻雜CuO，其中，(Ca離子+Cu離子)與Ti離子的摩爾比為1∶1，Cu離子與Ti離子的摩爾比為0.01∶1～0.7∶1。
2. —種CaTi03基壓敏一電容雙功能陶瓷材料的制備方法，其特征在于，歩 驟包括(1) 按上述比例稱取CaC03， CuO和Ti02，并均勻混合；(2) 將混合后的材料在800 1000 。C的溫度下，燒結(jié)2小時(shí)，完成物相的 成相階段；(3) 造粒后、在3 10Mpa的條件下干壓成型；(4) 在1000 1300°C的溫度下，空氣中燒結(jié)3小時(shí)，即可得到CaTi03基 壓敏一電容雙功能陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明屬于氧化物陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種CaTiO₃基壓敏—電容雙功能陶瓷材料及其合成方法。在CaTiO₃基底中摻雜CuO，其中，Ca離子、Cu離子與Ti離子間的摩爾比在一定的范圍內(nèi)。所述陶瓷材料的制備方法為稱取CaCO₃，CuO和TiO₂，并均勻混合，燒結(jié)成相，造粒并干壓成型，再次高壓燒結(jié)，即可得到CaTiO₃基壓敏—電容雙功能陶瓷材料。該陶瓷材料具有壓敏和電容雙功能；不含鉍、鉛等有毒物質(zhì)，對(duì)環(huán)境的污染??；具有較高介電常數(shù)和良好的頻率穩(wěn)定性，很好的壓敏非線性，具有廣闊應(yīng)用前景；制備方法簡(jiǎn)單，易操作。
文檔編號(hào)C04B35/465GK101628808SQ200810116769
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者南策文, 波 成, 林元華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)