一种CaTiO₃基压敏-电容双功能陶瓷材料及制备方法

专利名称：一种CaTiO₃基压敏-电容双功能陶瓷材料及制备方法
技术领域：
本发明属于氧化物陶瓷材料技术领域，特别涉及一种CaTi03基压敏一电容 双功能陶瓷材料及其合成方法。
背景技术：
压敏陶瓷是指在一定温度下和某一特定电压范围内具有非线性伏安特性，其 电阻随电压的增加而急剧减小的一种半导体陶瓷材料。根据这种伏安特性，可以 用这种半导体陶瓷材料制成非线性电阻器，即压敏电阻器。若压敏电阻器同时还 有显著电容效应，则称之为压敏一电容双功能元件，使用时相当于一只压敏电阻 器和一只电容器相并联组合的效果，能起到过电压保护和滤除噪声的双重作用， 有良好的电磁兼容性，对保证电路的正常运行无疑是更有效的。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，新型功能陶瓷元器件越来 越多的受到关注，其发展趋势主要体现在器件的微小型化、多功能化、集成化、 片式化、高可靠性。这要求对低压化的微集成装置加强保护，故作为保护元件的 压敏电阻也日益走向低压、微型、多功能、高可靠高稳定。金属氧化物基陶瓷非 线性电阻器件(如ZnO、 Sn02、 Ti02、 SrTK)3等)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。研究 表明提高压敏电阻片的介电常数能明显改善避雷器内压敏电阻柱的电位分布的 均匀性，能保证电位分布均匀，大大简化了避雷器的结构。目前ZnO、 Ti02基压 敏电阻，材料的相对介电常数比较低，导致避雷器内压敏电阻柱的电位分布很不 均匀，从而导致这些压敏电阻的加速老化，危及避雷器的安全运行。尽管SrTi03 压敏陶瓷其介电常数可以达到几千甚至上万，但是纯的SrTi03为绝缘体， 一般要首先使其半导化，通过掺杂高价离子取代相应的阳离子，并在还原气氛中烧结处
理，才能获得。其工艺相对比较复杂，和不易控制。

发明内容
本发明提供了一种CaTi03基压敏一电容双功能陶瓷材料，其特征在于，在 CaTi03基底中掺杂CuO，其中，(Ca离子+Cu离子)与Ti离子的摩尔比为1:1 ， Cu离子与Ti离子的摩尔比为0.01:1 0.7:1。
本发明还提供了一种CaTi03基压敏一电容双功能陶瓷材料的制备方法，其
步骤是
(1) 按上述比例称取CaC03， CuO和Ti02，并均匀混合；
(2) 将混合后的材料在800 1000 。C的温度下，烧结2小时，完成物相的 成相阶段；
(3) 造粒后、在3 10Mpa的条件下干压成型；
(4) 在1000 1300°C的温度下，空气中烧结3小时，即可得到CaTi03基 压敏一 电容双功能陶瓷材料。
本发明的有益效果为具有压敏和电容双功能，能起到过电压保护和滤除噪 声的双重作用，有良好的电磁兼容性；不含铋(Bi)和铅(Pb)及其氧化物等有 毒物质，对环境的污染小；具有较高介电常数和良好的频率稳定性，很好的压敏 非线性，具有广阔应用前景；通过改变CuO掺杂含量，可以调控该材料体系的 介电性能和非线性压敏性能；制备方法简单，易操作。


图1为实施例1中所得陶瓷材料的介电性能随频率的关系； 图 为实施例2中所得陶瓷材料的介电性能随频率的关系； 图3为实施例2中所得陶瓷材料的I-V曲线；图4为实施例3中所得陶瓷材料的X射线衍射分析(XRD)图谱； ,图5为实施例3中所得陶瓷材料的介电性能随频率的关系； 图6为实施例3中所得陶瓷材料的I-V曲线； 图7为实施例4中所得陶瓷材料的介电性能随频率的关系； 图8为实施例4中所得陶瓷材料的I-V曲线； 图9为实施例5中所得陶瓷材料的介电性能随频率的关系； 图10为实施例5中所得陶瓷材料的I-V曲线。
具体实施例方式
本发明提供了一种CaTi03基压敏一电容双功能陶瓷材料及其制备方法，下 面通过具体实施方式
对本发明进一步进行说明。 实施例l:
按照Ca,Cu謹Ti03的配比称取CaC03、 CuO和Ti02，均匀混合后，通过预 烧成工艺，在900。C空气中烧结2小时，完成材料物相的成相阶段。然后，通过 造粒工艺，在3Mpa下干压成型，在1200°C的空气中烧结3小时，烧制成陶瓷 材料。
对该陶瓷材料进行X射线衍射分析(XRD)测试，结果表明，该陶瓷材料的物 相为CaTi03;对该型号陶瓷材料进行介电性能测试，图1为该陶瓷材料的介电性 能随频率的关系，可以看出，在室温条件下，在外电场lKHz至lj 100KHz范围的 内，相对介电常数s在60到100之间，介电损耗tanS〉0.02。
实施例2:
按照Cao.9CucuTi03的配比称取CaC03、 CuO和Ti02，均匀混合后，通过预 烧成工艺，在80(TC空气中烧结2小时，完成材料物相的成相阶段。然后，通过 造粒工艺，在5Mpa下干压成型，在U00。C空气中烧结3小时，即获得压敏一电容双功能陶瓷材料。
对该型号陶瓷材料进行X射线衍射分析(XRD)测试，结果表明，该陶瓷材料 的物相为CaTi03和CCTO (CaCu3Ti4012);对该型号陶瓷材料进行介电性能测试， 图2为该陶瓷材料的介电性能随频率的关系，可以看出，在室温条件下，在外电 场lKHz到100KHz范围的内，相对介电常数s在100到700之间，介电损耗tan S 〉0. 3，图3为该陶瓷材料的I-V曲线，其非线性系数为1.65。
实施例3:
按照Cao.6Cuo.4Ti03的配比称取CaC03、 CuO和Ti02，均匀混合后，通过预 烧成工艺，在1000。C空气中烧结2小时，完成材料物相的成相阶段。然后，通 过造粒工艺，在5Mpa下干压成型，在U00。C空气中烧结3小时，即获得压敏 一电容双功能陶瓷材料。
对该型号陶瓷材料进行X射线衍射分析(XRD)测试，图4为该陶瓷材料的X 射线衍射分析(XRD)图谱，结果表明，该陶瓷材料的物相为CaTi03和CCTO (CaCu3Ti4012);对该型号陶瓷材料进行介电性能测试，图5为该陶瓷材料的介电 性能随频率的关系，可以看出，在室温条件下，在外电场lKHz到100KHz范围 的内，相对介电常数e在740到780之间，介电损耗tan S《0. 02，图6为该陶 瓷材料的I-V曲线，其非线性系数为5.65，压敏电压约570V/mm。
实施例4:
按照Cao.5Cuo.5Ti03的配比称取CaC03、 CuO和Ti02，均匀混合后，通过预 烧成工艺，在900。C空气中烧结2小时，完成材料物相的成相阶段。然后，通过 造粒工艺，在3Mpa下干压成型，在1300°C空气中烧结3小时，即获得压敏一
电容双功能陶瓷材料。
对该型号陶瓷材料进行X射线衍射分析(XRD)测试，结果表明，该陶瓷材料的物相为CaTi03和CCTO (CaCu3Ti4012);对该型号陶瓷材料进，介电性能测试， 图7为该陶瓷材料的介电性能随频率的关系，可以看出，在室温条件下，在外电 场lKHz到100KHz范围的内，相对介电常数s在1650到1750之间，介电损耗 tanS<0.04，图8为该陶瓷材料的I-V曲线，其非线性系数为5.39，压敏电压约 2術/mm。 实施例5:
按照Cao.4Cuo.6丁i03的配比称取CaC03、 CuO和Ti02，均匀混合后，通过预 烧成工艺，在900。C空气中烧结2小时，完成材料物相的成相阶段。然后，通过 造粒工艺，在7Mpa下干压成型，在1000°C空气中烧结3小时，即获得压敏一 电容双功能陶瓷材料。
对该型号陶瓷材料进行X射线衍射分析(XRD)测试，结果表明，该陶瓷材料 的物相为CaTiC)3和CCTO (CaCu3Ti4012);对该型号陶瓷材料进行介电性能测试， 图9为该陶瓷材料的介电性能随频率的关系，可以看出，在室温条件下，在外电 场lKHz到100KHz范围的内，相对介电常数s在2350到2500之间，介电损耗 tan S 〈0.04，图10为该陶瓷材料的I-V曲线，其非线性系数为5.36，压敏电压约 230V/mm。
以上所述的实施例，只是本发明的几个典型的具体实施方式
，本领域的技术 人员可以在所附权利要求的范围内做出各种修改。
权利要求
1.一种CaTiO3基压敏-电容双功能陶瓷材料，其特征在于，在CaTiO3基底中掺杂CuO，其中，(Ca离子+Cu离子)与Ti离子的摩尔比为1∶1，Cu离子与Ti离子的摩尔比为0.01∶1～0.7∶1。
2. —种CaTi03基压敏一电容双功能陶瓷材料的制备方法，其特征在于，歩 骤包括(1) 按上述比例称取CaC03， CuO和Ti02，并均匀混合；(2) 将混合后的材料在800 1000 。C的温度下，烧结2小时，完成物相的 成相阶段；(3) 造粒后、在3 10Mpa的条件下干压成型；(4) 在1000 1300°C的温度下，空气中烧结3小时，即可得到CaTi03基 压敏一电容双功能陶瓷材料。
全文摘要
本发明属于氧化物陶瓷材料技术领域，特别涉及一种CaTiO₃基压敏—电容双功能陶瓷材料及其合成方法。在CaTiO₃基底中掺杂CuO，其中，Ca离子、Cu离子与Ti离子间的摩尔比在一定的范围内。所述陶瓷材料的制备方法为称取CaCO₃，CuO和TiO₂，并均匀混合，烧结成相，造粒并干压成型，再次高压烧结，即可得到CaTiO₃基压敏—电容双功能陶瓷材料。该陶瓷材料具有压敏和电容双功能；不含铋、铅等有毒物质，对环境的污染小；具有较高介电常数和良好的频率稳定性，很好的压敏非线性，具有广阔应用前景；制备方法简单，易操作。
文档编号C04B35/465GK101628808SQ200810116769
公开日2010年1月20日 申请日期2008年7月17日 优先权日2008年7月17日
发明者南策文, 波 成, 林元华 申请人:清华大学