稀土改性高梯度的二氧化锡压敏电阻材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种稀土氧化物改性高梯度的二氧化锡压敏电阻材料。该材料由以下摩尔比的组分组成：90~99mol%的主相二氧化锡SnO2，0.5~5.0mol%的致密增强剂氧化钴CoO，0.05~2.0mol%的非线性形成氧化物氧化铌Nb2O5，并可含有0~3.0mol%的稀土氧化物氧化铥Sm2O3，氧化镝Dy2O3，氧化铒Er2O3中的一种或多种作为非线性增强剂和电位梯度增强剂。本发明通过添加适量稀土氧化物，优化材料配比，提高了二氧化锡压敏电阻材料的电位梯度，明显改善了其电学性能。本发明具有压敏电压梯度高，电学非线性系数大的特点，可用于各类大型设备的电源保护、家庭楼宇的防雷等场所。

权利要求

1.一种稀土改性高电位梯度的二氧化锡压敏电阻材料，其特征在于：该材料是由以下摩尔百分比的组分组成：

98.85mol％的SnO2，1.0mol％的CoO，0.05mol％的Nb2O5和0.10mol％的Sm2O3；

其制备方法步骤如下：按照所述二氧化锡压敏电阻材料的组分称取原料，将所称粉料、氧化锆球和去离子水在聚氨酯球磨罐中混合，在球磨机上混匀、磨细；将磨细混匀的浆料置入干燥箱中，在120℃下烘干；在烘干的粉料中添加质量分数为5％的粘接剂，经60目的筛子过筛；对过筛后的粉料在指定规格和形状的模具中干压成型；按照预先设定的烧结温度

1300℃对二氧化锡压敏电阻材料素坯进行烧结并保温3小时，即得。

说明书

稀土改性高梯度的二氧化锡压敏电阻材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种压敏电阻材料，特别是一种稀土改性高梯度的二氧化锡（SnO2）压敏电阻材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 压敏电阻材料是用于制作压敏电阻器的材料，压敏电阻器是对电压十分敏感的电子器件。在一定的温度和特定的电压范围内，压敏电阻器的电流随电压的上升而急剧的升高，其电阻值随电压的升高而急剧下降，具有非线性伏安特性。压敏电阻器通过对脉冲电压、浪涌电压、感应雷电压、操作过电压的吸收，从而有效地保护电子器件、电子线路、电子设备、用电设备免受异常电压的冲击。

[0003] 压敏电阻器的工作原理是：当电压正常时，压敏电阻器处于绝缘状态（其电阻为几十至几百兆欧姆），当电压升高超过压敏电压时（异常的脉冲电压、浪涌电压、感应雷电压、操作过电压等），压敏电阻器会立即由绝缘状态变为导通状态（电阻可为几欧至一欧以下），响应时间快，通过它的电流瞬间可高达为几千甚至几万安培。在有异常电压侵袭被保护器件、设备时，压敏电阻器可在极短的时间内把大量的电流吸收掉，从而使得被保护器件、设备上 所通过的电流几乎为零。

[0004] 氧化锌（ZnO）压敏电阻器作为一种传统的压敏器件，具有非线性系数大、漏电流小、通流能力强、响应时间快等特点，被广泛应用于用电领域。现在通用的氧化锌压敏材料的压敏电压梯度一般在120~200V/mm，而高电位梯度材料的关键是电参数很难达到应用要求；研制优异性能的高梯度氧化锌压敏材料，或者研制新型的非氧化锌压敏电阻材料，可使器件小型化，从而能够大大的节约材料资源。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种组分简单，掺杂稀土元素易精确可控，具有非线性系数高，压敏电压梯度高，漏电流小，综合电学性能优良等特点的稀土改性高梯度的二氧化锡（SnO2）压敏电阻材料。

[0006] 本发明所要解决的另一个技术问题是提供了前述稀土改性高梯度的二氧化锡压敏电阻材料的制备方法。

[0007] 本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种稀土改性高电位梯度的二氧化锡压敏电阻材料，其特点是：该材料是由以下摩尔百分比的组分组成：

[0008] 二氧化锡SnO2：90.0~99.0mol%；

[0009] 氧化钴CoO：0.5~5.0mol%；

[0010] Nb2O5：0.05~2.0mol%；

[0011] 稀土氧化物氧化铥Sm2O3、氧化镝Dy2O3、氧化铒Er2O3中的一种或多种：0~3.0mol%。本发明材料中稀土氧化物作为非线性增强剂和电位梯度增强剂是优选组分，其优选的摩尔百分比为0.05~3.0mol%。

[0012] 本发明所述的稀土改性的高电位梯度二氧化锡压敏电阻材料中：所述致密增强剂氧化钴是以钴的氧化物形式引入，所述氧化物选自CoO，Co2O3，Co3O4。

[0013] 本发明所述的稀土改性的高电位梯度二氧化锡压敏电阻材料可以采用以下方法进行制备：按所述组分配比混合原料，向混合物中加入适量去离子水或蒸馏水，球磨8-24小 时；球磨后的浆料烘干，过筛，得到的粉料压制成陶瓷坯体，再将陶瓷坯体在1250~1500℃（优选1300℃）下烧结3~12小时，即得。

[0014] 本发明材料是一种新型压敏电阻材料，它是以二氧化锡为主相，添加若干其它氧化物改性后的烧结体材料。二氧化锡压敏电阻材料具有掺杂量相对较少、由氧化物挥发导致的掺杂损失小以及热导率高等优点，在电子、电力系统中应用前景很好。用本发明提供的2
材料组分研制的二氧化锡压敏电阻器，其电位梯度E1mA (电流密度为1mA/cm时对应的电位梯度值）为500~2000V/mm，非线性系数α为20~50，漏电流密度JL (75 % E1mA所对应的电
2
流密度值）为1~10μA/cm，综合电学性能优良。

[0015] 与现有技术相比，本发明稀土改性高梯度的二氧化锡压敏电阻材料组分简单，掺杂稀土元素易精确可控，通过添加适量稀土氧化物，优化材料配比，提高了二氧化锡压敏电阻材料的电位梯度，明显改善了其电学性能，漏电流小，综合电学性能优良等特点，适合应用于家用电器以及高压避雷器等应用。

附图说明

[0016] 图1是本发明材料的扫描电镜（SEM）照片。

具体实施方式

[0017] 以下结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

[0018] 实施例1，一种稀土改性高电位梯度的二氧化锡压敏电阻材料，该材料是由以下摩尔百分比的组分组成：

[0019] 二氧化锡SnO2：99.0mol%；

[0020] 氧化钴CoO：0.5mol%；

[0021] Nb2O5：0. 5mol%。

[0022] 实施例2，一种稀土改性高电位梯度的二氧化锡压敏电阻材料，该材料是由以下摩尔百分比的组分组成：

[0023] 二氧化锡SnO2：93.0mol%；

[0024] 氧化钴CoO： 5.0mol%；

[0025] Nb2O5：2.0mol%。

[0026] 实施例3，一种稀土改性高电位梯度的二氧化锡压敏电阻材料，该材料是由以下摩尔百分比的组分组成：

[0027] 二氧化锡SnO2：95.0mol%；

[0028] 氧化钴CoO：2.0mol%；

[0029] Nb2O5：1.0mol%；

[0030] 稀土氧化物氧化铥Sm2O3、氧化镝Dy2O3、氧化铒Er2O3中的二种2.0mol%。

[0031] 实施例4，一种稀土改性高电位梯度的二氧化锡压敏电阻材料，该材料是由以下摩尔百分比的组分组成：

[0032] 二氧化锡SnO2：90.0mol%；

[0033] 氧化钴CoO： 5.0mol%；

[0034] Nb2O5：2.0mol%；

[0035] 稀土氧化物氧化铥Sm2O3、氧化镝Dy2O3和氧化铒Er2O3：3.0mol%。

[0036] 实施例5，一种稀土改性高电位梯度的二氧化锡压敏电阻材料，该材料是由以下摩尔百分比的组分组成：

[0037] 二氧化锡SnO2：96.0mol%；

[0038] 氧化钴CoO：3.9mol%；

[0039] Nb2O5：0.05mol%；

[0040] 稀土氧化物氧化铥Sm2O3、氧化镝Dy2O3、氧化铒Er2O3中的一种：0.05mol%。

[0041] 实施例6，实施例1－5中任何一项所述的稀土改性的高电位梯度二氧化锡压敏电阻材料中：所述致密增强剂氧化钴是以钴的氧化物形式引入，所述氧化物选自CoO，Co2O3，Co3O4。

[0042] 实施例7，实施例1－6中任何一项所述的稀土改性的高电位梯度二氧化锡压敏电阻材料的制备方法，其步骤如下：按所述组分配比混合原料，向混合物中加入适量去离子水或蒸馏水，球磨8-24小 时；球磨后的浆料烘干，过筛，得到的粉料压制成陶瓷坯体，再将陶瓷坯体在1250~1500℃下烧结3~12小时，即得。

[0043] 实施例8，稀土改性的高电位梯度二氧化锡压敏电阻材料制备实验一：

[0044] 材料的组分为：98.85mol%的SnO2，1.0mol%的CoO，0.05mol%的Nb2O5和0.10mol%的Sm2O3。

[0045] 所述稀土改性高梯度的二氧化锡压敏电阻制备方法，包括如下工艺步骤和内容：按照所述二氧化锡压敏电阻材料的设计组分称取原料，将所称粉料、氧化锆球和去离子水在聚氨酯球磨罐中混合，在球磨机上混匀、磨细。将磨细混匀的浆料置入干燥箱中，在高温下（120℃）烘干。在烘干的粉料中添加适量（优选质量分数为5%）的粘接剂，经60目的筛子过筛。对过筛后的粉料在指定规格和形状的模具中干压成型。按照预先设定的烧结温度o
（1300C，保温3小时）对二氧化锡压敏电阻材料素坯进行烧结。对二氧化锡压敏电阻烧结体进行被银，制作电极，在银电极上焊制引线，然后包封固化以及测试。

[0046] 经测试，其压敏电参数：压敏电压梯度E为600V/mm，漏电流 JL（0.75VlmA下）小于5μΑ，非线性系数α为50左右。

[0047] 实施例9，稀土改性的高电位梯度二氧化锡压敏电阻材料制备实验二：

[0048] 材料的组分为：98.45mol%的SnO2，1.0mol%的CoO，0.05mol%的Nb2O5和0.50mol%的Dy2O3。

[0049] 通过称料、混合球磨、造粒、成型、烧结（烧结温度：1400oC，保温3小时）、上电极、焊引线、包封固化制成直径12mm的圆片，经测试，其压敏电参数：压敏电压梯度E为1200V/mm，漏电流JL（0.75VlmA下）小于10μΑ，非线性系数约为60。

[0050] 实施例10，稀土改性的高电位梯度二氧化锡压敏电阻材料制备实验三：

[0051] 材料的组分为：97.95mol%的SnO2，1.0mol%的CoO，0.05mol%的Nb2O5和1.00 mol%的Er2O3。

[0052] 通过称料、混合球磨、造粒、成型、烧结（烧结温度：1300oC，保温3小时）、上电极、焊引线、包封固化制成直径12mm的圆片，经测试，其压敏电参数：压敏电压梯度E为1600V/mm，漏电流JL（0.75VlmA下）小于10μΑ，非线性系数为50~60。

[0053] 实施例11，稀土改性的高电位梯度二氧化锡压敏电阻材料制备实验四：

[0054] 材料的组分为：98.3mol%的SnO2，1.0mol%的CoO，0.10mol%的Nb2O5，0.2mol%的Sm2O3，0.2mol%的Dy2O3和0.2mol%的Er2O3。

[0055] 通过称料、混合球磨、造粒、成型、烧结（烧结温度：1350oC，保温3小时）、上电极、焊引线、包封固化制成直径12mm的圆片，经测试，其压敏电参数：压敏电压梯度E为1000V/mm，漏电流JL（0.75VlmA下）小于10μΑ，非线性系数约为50。本实施例材料的扫描电镜（SEM）照片参照图1。