一种温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料及其制备方法。
背景技术
敏感元件和传感器被认为是最具发展前途的电子技术产品，对于提升我国电子工业在国际上的地位来说，发展敏感元器件意义重大。其中，负温度系数(NTC)热敏电阻，因其具有测温精度高、互换性好、可靠性高、成本低廉等优点，在温度测量、控制和补偿等多方面得到了广泛的应用。众所周知，宽温区热敏电阻器一般为低B值、高阻值的热敏材料。因尖晶石结构NTC烧结后处于非平衡态，易造成材料电学性能改变，具有一定局限性，使用温度低且温度区间较窄(-50℃-300℃)；而钙钛矿材料结构稳定，在高温下稳定性良好，使用温区一般在300℃-1000℃。因此宽温区热敏电阻材料通常采用不同结构材料进行双相复合，形成低B值高阻值的复合材料。目前市面上对于同一结构同一体系材料来说，很难同时具备高温和低温NTC特性，只有通过掺杂或复合的手段进行B值和测温温区的有限调控。现代材料科学的重要挑战之一就是开发新的化合物并在此基础上进行改性优化，因此，通过调节体系中某种参数获得具有高温或低温NTC特性的热敏电阻材料的研究，大大的拓展了材料的研究开发范围，利用材料不同参数下的特性，可以设计出一系列的具有潜在应用价值的新型NTC热敏材料。
研究发现白钨矿结构SrWO4-xCeNbO4+δ具有NTC特性的热敏电阻材料，此类材料具有优良的高温力学性能和高温稳定性。通过调节x值可以大幅扩宽材料测温温区，扩展其在测温领域中的应用，同时根据材料结构变化趋势和导电机制的变化，精确控制热敏材料的阻值和B值，从而得到新型NTC热敏电阻材料。本发明可调节温区范围为200℃-1200℃,在此范围内具有明显负温度系数特性，材料电性能稳定，线性关系良好，一致性好，适于制造宽温区使用热敏电阻器。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料及其制备方法，该材料以SrCO3、CeO2、Nb2O5和WO3为原料，经过混合研磨、煅烧、研磨、冷等静压成型、高温烧结，即可得到温区与B值可调SrWO4-xCeNbO4+δ热敏电阻陶瓷材料，本发明所述的锶、铈、铌、钨四元系热敏电阻材料，经过调节x值可以精确调节材料体系的B值、测温区间及其电阻率,其中0≤x≤0.8，其电性能参数为：B400℃/800℃＝4030K-11109K±4.5％,ρ400℃＝3.37×103Ω·cm-3.87×109Ω·cm±6％，可调节温区范围为200℃-1200℃。采用本发明制备的温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料具有负温度系数特性，该材料具有制备工艺简单，电性能稳定，线性关系良好，一致性好，可在较宽温区内进行测温、控温及线路补偿，是一种适用于制造宽温区热敏电阻器的新型负温度系数热敏电阻材料。
本发明所述的一种温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料，该材料的化学通式为：SrWO4-xCeNbO4+δ，其中0.1≤x≤0.8，由原料SrCO3、CeO2、Nb2O5和WO3制成。
所述温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料的制备方法，按下列步骤进行：
a、以SrCO3、CeO2、Nb2O5和WO3为原料，其化学通式为SrWO4-xCeNbO4+δ，将原料按SrCO3:CeO2:Nb2O5:WO3＝1:0.1-0.8:0.05-0.4:1的摩尔比称量，置于玛瑙研钵中研磨6-8h，充分混合均匀，得到平均颗粒尺寸为1.215-1.530μm的氧化物粉体；
b、将步骤a中得到的氧化物粉体在温度1100-1200℃煅烧3-5h，再研磨4-6h，此过程重复两遍，即得热敏电阻粉体；
c、将步骤b得到的热敏电阻粉体以15-30Kg/cm2的压力进行压块成型，时间为1-3min，将成型的块体进行冷等静压，在压强为250-300MPa保压1-3min，然后将块体在温度1250-1350℃下烧结3-6h，即得锶、铈、铌和钨四元系陶瓷材料；
d、将步骤c得到的陶瓷材料正反两面涂覆铂浆电极，然后在温度1000-1100℃下退火1-2h，即得到温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料。
本发明所述的一种温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料及其制备方法，采用固相法将分析纯碳酸锶，分析纯二氧化铈，分析纯五氧化二铌和分析纯三氧化钨行混合研磨、煅烧、再研磨，将此过程重复两次即得负温度系数热敏电阻粉体材料，再将该粉体片式冷等静压成型，高温烧结后正反两面涂烧铂浆电极获得热敏电阻，其电性能参数为：B400℃/800℃＝4030K-11109K±4.5％,ρ400℃＝3.37×103Ω·cm-3.87×109Ω·cm±6％，可调节温区范围为200℃-1200℃。该热敏电阻材料具有制备工艺简单，电性能稳定，线性关系良好，一致性好，可在较宽温区内进行测温、控温及线路补偿，是一种适用于制造宽温区热敏电阻器的新型负温度系数热敏电阻材料。
本发明所述的温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料，其特点为：
钨酸锶材料选择，由于钨酸锶具有优异的热稳定性和化学稳定性，室温及高温环境中结构稳定，非常具有实用价值，因此选择钨酸锶作为主要成分。
当烧结温度为一确定值时，通过对x值的调节，可使当前化学式材料的B值和测温区间发生变化。
本发明创新点：
(1)SrWO4-xCeNbO4+δ材料通过x值的调节，可有效调节材料的B值和并使得测温区间发生大幅变化。
(2)该热敏材料中CeNbO4具有双重功能：一是随着CeNbO4增加使得Ce3+含量增加，造成载流子浓度增加，电导率增加；二是CeNbO4含量的增加使晶格发生畸变，导致具有离子型和p型混合导电机制的CeNbO4.08出现，大幅度的改变材料的电阻率。
附图说明
图1为本发明SrWO4-xCeNbO4+δ材料的电阻率与温度的关系图。
具体实施方式
实施例1
a、以化学通式为SrWO4-xCeNbO4+δ，将原料按摩尔比SrCO3:CeO2:Nb2O5:WO3＝1:0.1:0.05:1称量，置于玛瑙研钵中研磨6-8h，充分混合均匀，得到平均颗粒尺寸为1.353μm的氧化物粉体；
b、将步骤a中得到的氧化物粉体在温度1200℃煅烧5h，再研磨6h，此过程重复两遍，即得热敏电阻粉体；
c、将步骤b得到的热敏电阻粉体以30Kg/cm2的压力进行压块成型，时间为1min，将成型的块体进行冷等静压，在压强为300MPa保压3min，然后将块体在温度1350℃下烧结6h，即得锶、铈、铌和钨四元系陶瓷材料；
d、将步骤c得到的陶瓷材料正反两面涂覆铂浆电极，然后在温度1100℃下退火2h，即得到温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料。
将得到的锶、铈、铌和钨四元系热敏陶瓷材料进行电性能测试，得到的电学参数为B400℃/800℃＝11109K±4.2％，ρ400℃＝3.87×109Ω·cm±5.6％，该材料的测温区间为400-1200℃。
实施例2
a、以化学通式为SrWO4-xCeNbO4+δ，将原料按摩尔比SrCO3:CeO2:Nb2O5:WO3＝1:0.2:0.1:1称量，置于玛瑙研钵中研磨8h，充分混合均匀，得到平均颗粒尺寸为1.426μm的氧化物粉体；
b、将步骤a中得到的氧化物粉体在温度1150℃煅烧4h，再研磨6h，此过程重复两遍，即得热敏电阻粉体；
c、将步骤b得到的热敏电阻粉体以30Kg/cm2的压力进行压块成型，时间为2min，将成型的块体进行冷等静压，在压强为250MPa保压3min，然后将块体在温度1300℃下烧结5h，即得锶、铈、铌和钨四元系陶瓷材料；
d、将步骤c得到的陶瓷材料正反两面涂覆铂浆电极，然后在温度1100℃下退火1h，即得到温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料。
将得到的锶、铈、铌和钨四元系热敏陶瓷材料进行电性能测试，得到的电学参数为B400℃/800℃＝8768K±4.5％，ρ400℃＝1.17×108Ω·cm±5.2％，该材料的测温区间为300-1100℃。
实施例3
a、以化学通式为SrWO4-xCeNbO4+δ，将原料按摩尔比SrCO3:CeO2:Nb2O5:WO3＝1:0.4:0.2:1称量，置于玛瑙研钵中研磨8h，充分混合均匀，得到平均颗粒尺寸为1.530μm的氧化物粉体；
b、将步骤a中得到的氧化物粉体在温度1100℃煅烧3h，再研磨5h，此过程重复两遍，即得热敏电阻粉体；
c、将步骤b得到的热敏电阻粉体以20Kg/cm2的压力进行压块成型，时间为2min，将成型的块体进行冷等静压，在压强为250MPa保压2min，然后将块体在温度1250℃下烧结4h，即得锶、铈、铌和钨四元系陶瓷材料；
d、将步骤c得到的陶瓷材料正反两面涂覆铂浆电极，然后在温度1100℃下退火1h，即得到温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料。
将得到的锶、铈、铌和钨四元系热敏陶瓷材料进行电性能测试，得到的电学参数为B400℃/800℃＝4411K±3.9％，ρ400℃＝1.72×104Ω·cm±4.6％，该材料的测温区间为200-1000℃。
实施例4
a、以化学通式为SrWO4-xCeNbO4+δ，将原料按摩尔比SrCO3:CeO2:Nb2O5:WO3＝1:0.6:0.3:1称量，置于玛瑙研钵中研磨6h，充分混合均匀，得到平均颗粒尺寸为1.297μm的氧化物粉体；
b、将步骤a中得到的氧化物粉体在温度1100℃煅烧3h，再研磨6h，此过程重复两遍，即得热敏电阻粉体；
c、将步骤b得到的热敏电阻粉体以15Kg/cm2的压力进行压块成型，时间为3min，将成型的块体进行冷等静压，在压强为300MPa保压1min，然后将块体在温度1250℃下烧结3h，即得锶、铈、铌和钨四元系陶瓷材料；
d、将步骤c得到的陶瓷材料正反两面涂覆铂浆电极，然后在温度1000℃下退火1h，即得到温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料。
将得到的锶、铈、铌和钨四元系热敏陶瓷材料进行电性能测试，得到的电学参数为B400℃/800℃＝4030K±4.3％，ρ400℃＝5.74×103Ω·cm±6％，该材料的测温区间为200-800℃。
实施例5
a、以化学通式为SrWO4-xCeNbO4+δ，将原料按摩尔比SrCO3:CeO2:Nb2O5:WO3＝1:0.8:0.4:1的称量，置于玛瑙研钵中研磨6h，充分混合均匀，得到平均颗粒尺寸为1.215μm的氧化物粉体；
b、将步骤a中得到的氧化物粉体在温度1100℃煅烧3h，再研磨4h，此过程重复两遍，即得热敏电阻粉体；
c、将步骤b得到的热敏电阻粉体以15Kg/cm2的压力进行压块成型，时间为3min，将成型的块体进行冷等静压，在压强为300MPa保压1min，然后将块体在温度1250℃下烧结3h，即得锶、铈、铌和钨四元系陶瓷材料；
d、将步骤c得到的陶瓷材料正反两面涂覆铂浆电极，然后在温度1000℃下退火1h，即得到温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料。
将得到的锶、铈、铌和钨四元系热敏陶瓷材料进行电性能测试，得到的电学参数为B400℃/800℃＝4235K±4.0％，ρ400℃＝3.37×103Ω·cm±5.2％，该材料的测温区间为200-800℃。
实施例6
将实施例1-实施例5任意一种温区和B值可调的锶、铈、铌和钨四元系热敏电阻材料，通过调节原料摩尔比，可有效调节材料的电学参数和测温区间。该材料具有制备工艺简单，电性能稳定，线性关系良好，一致性好的特点，可在较宽温区内进行测温、控温及线路补偿，是一种适用于制造宽温区热敏电阻器的新型负温度系数热敏电阻材料。
