[发明专利]高致密、高导电氧化锡锑陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷领域，特别是介绍了一种高致密、高导电氧化锡锑陶瓷的制备方法，用此法可制备出高致密、高导电的氧化锡锑陶瓷用做电极材料和溅射靶材。

背景技术

当前，光伏产业和光电子信息产业正处于飞速发展阶段，对光敏和电场敏感兼备的透明导电材料的需求也日益凸显。透明导电薄膜是近年来发展起来的一种新型能源材料，因其同时兼备高导电性和高的可见光透过性而被广泛应用于太阳能电池、平板显示器、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。目前，应用最为广泛的透明导电薄膜主要是氧化锡铟（Sn元素掺杂的In₂O₃，简称ITO），其市场占有率和需求量呈逐年快速递增态势，2010年的产量市值高达15亿美元。但是，作为ITO中主要组分的In的资源十分稀缺，其地质储量仅约1.6万吨，只有黄金地质储量的1/6，而且In是一种有毒物质，会带来严重的环境污染问题。因此，需要寻找一种绿色环保、价格低廉的透明导电薄膜以替代现有ITO。氧化锡锑（Sb元素掺杂的SnO₂，简称氧化锡锑）就是近年来发展起来的一种新型透明导电薄膜，其资源丰富、价格便宜、无毒无污染，而且具有禁带宽度大（>3.6eV）、导电性好、可见光透过率高、抗辐射、热稳定性好等优异性能，是最有希望替代ITO的材料之一。而为了实现其产业化应用，溅射镀膜技术是最主要的工业生产技术，而高质量的溅射靶材是最重要的工业原材料，因此必须制备出高品质的氧化锡锑陶瓷靶材，要求其致密度高、导电性好且杂质含量低。

由于透明导电薄膜的应用领域较广，不同领域对该材料的性能要求也不同，其中表面电阻可在10²~10⁴ Ω/□范围内变化。为了满足不同领域的应用需求，可通过改变靶材中的Sb掺杂含量来制备出不同导电性能的氧化锡锑薄膜。而目前工业上生产的氧化锡锑原料粉体中的Sb掺杂含量主要为20at.%，其他组分的氧化锡锑粉体生产较少，不易获得。由于氧化锡锑中的Sb存在两种价态（Sb⁵⁺和Sb³⁺），而Sb⁵⁺取代Sn⁴⁺产生的n型载流子是主要的导电机理。氧化锡锑陶瓷靶材导电性主要是靠载流子浓度和迁移率两者决定的。因此，采用一种简便的方法制备不同组分的氧化锡锑粉体，从而有效控制Sb掺杂含量、Sb⁵⁺的含量以及载流子输运能力是控制其电性能大小的关键因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单的高致密、高导电氧化锡锑陶瓷的制备方法，以用于提高氧化锡锑陶瓷的致密度，降低其电阻率，从而制备出高致密、高导电的氧化锡锑陶瓷。

本发明提供的高致密、高导电氧化锡锑陶瓷的制备方法，是以两种纳米粉体为原料，结合电场辅助条件在低温下制得所述氧化锡锑陶瓷，后期的低温均化处理应使其电阻率降低，且不影响致密度，该方法采用包括以下步骤的方法：

（1）不同Sb掺杂含量的氧化锡锑纳米粉体的制备： 

按Sb掺杂含量为1～20at.%的比例称取Sb掺杂含量为20at.%的氧化锡锑粉体和纯SnO₂粉体，将混合纳米粉体、玛瑙球和无水乙醇按1:2:1的质量比加入到球磨罐中，经球磨机球磨后，烘干、研磨，得到所需氧化锡锑纳米粉体；

（2）氧化锡锑纳米粉体的电场辅助低温快速致密化：

将步骤（1）中所得氧化锡锑纳米粉体装入模具中，转移到电场辅助烧结系统中，在800～1200℃的温度下进行烧结，得到高致密的氧化锡锑陶瓷；

（3）氧化锡锑陶瓷的低温均化处理：

将步骤（2）中所得的氧化锡锑陶瓷置于加热炉中进行均化处理，均化处理温度为500～1000℃，时间为10～100小时；

经过上述步骤，得到所述的高致密、高导电的氧化锡锑陶瓷。

上述步骤（1）中，所述Sb掺杂含量为20at.%的氧化锡锑粉体和SnO₂粉体的纯度可以为>99.9%，粒径为10～50nm。

上述步骤（1）中，按Sb掺杂含量为1～20at.%的比例得到氧化锡锑纳米粉体。

本发明采用电场辅助烧结技术在烧结压力为20～100MPa时，以50～300℃/分钟升温至800～1200℃保温1～5分钟后烧结得到的氧化锡锑陶瓷致密度均可达90～99% 。

所述采用的模具材质可以为高强石墨或碳化钨；