[发明专利]一种钛酸铋基钙钛矿相热敏陶瓷复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种钛酸铋基钙钛矿相热敏陶瓷复合材料及其制备方法和用途，该材料使用金属盐作为原料，采用Pechini法制备出xNa_0.5Bi_0.5TiO₃‑(1‑x)Zn_0.5Bi_0.5TiO₃（0x1）粉体，粉体经干燥、预烧、研磨、预压成型、冷等静压、烧结加工工艺，即可得到钛酸铋基钙钛矿相热敏陶瓷材料，该材料晶粒小且均匀、致密度好，并在温度350‑900℃范围具有明显负温度系数特性，电学性能研究结果表明：随着钛酸铋锌的复合量增大，陶瓷材料的电阻值增大，B值减小，可适用于高温区测温以及控温的新型热敏陶瓷材料。

技术领域

本发明涉及一种钛酸铋基钙钛矿相热敏陶瓷复合材料及其制备方法和用途，尤其是将该材料应用于高温热敏电阻领域，在温度350-900℃范围具有明显的负温度系数特性，是一种适用于制备高温热敏电阻器的新型钙钛矿相热敏陶瓷材料。

背景技术

材料作为人类社会的三大支柱之一，在国民经济中占有举足轻重的地位。随着电子、通讯和控制等高技术含量行业的迅速发展，对材料的智能化、多功能化、器件的小型化等要求不断提高，功能材料的研究开发在高新技术领域占有越来越重要的地位。负温度系数热敏材料，即NTC热敏材料，其电阻值随着温度的升高呈指数减小，阻值-温度系数一般在百分之几，卓越的灵敏度使其能够探测到极小的温度变化，是理想的温敏元件材料。近年来，医疗、汽车、航空航天等行业对热敏电阻器的需求呈现出上升趋势，尤其在航空航天领域，需要高温热敏电阻器来精确测量涡轮发动机排出气体的温度和燃气涡轮机高温燃气的温度；在汽车领域，需要高温热敏电阻器来精确控制发动机引擎的温度，进而提高燃料效率、优化气体排放。通常认为使用温度高于300℃的热敏电阻器为高温热敏电阻器，高温热敏电阻器是替代工业用贵金属传感器的理想产品，具有广阔的前景，成为热敏电阻领域主攻的四大课题之一。传统的尖晶石型过渡金属氧化物热敏材料在高温中使用时，往往会出现严重的老化现象，甚至发生阻温特性的不可逆变化，这也促进了高温热敏电阻材料的研究，给新型高温热敏电阻材料的开发提出了新的挑战性课题。

近年来钙钛矿结构(ABO₃)材料被广泛用于压电、铁电、介电等领域,其中钛酸铋钠、钛酸铋锌是一类A位离子被取代的复合型钙钛矿结构材料，全配位为A：B：O＝12：6：6，Bi³⁺和Na⁺/Zn⁺的离子半径非常接近，一般以1:1的比例共同占据A位，Ti⁴⁺离子占据B位。对于钙钛矿型NTC热敏陶瓷材料，其主要电导机制被认为是小极化子跳跃电导，即由化学计量比偏离所形成的金属空位或氧空位，以及有不同价态的阳离子取代所形成的受主或施主杂质缺陷造成。钛酸铋钠和钛酸铋锌中含有Ti²⁺、Ti³⁺、Ti⁴⁺以及Bi³⁺、Bi⁵⁺几种不同价态的离子，离子的化合价不同，它们对周围晶格的作用力的大小也就不同，从而使离子偏离平衡位置的大小也就不同，这种畸变就形成了一种畸变场。这种电子(空穴)及畸变场(极化状态)组成了极化子，符合钙钛矿相的极化导电理论，因此本发明专利首次设想并验证A位离子取代的钛酸铋基陶瓷材料具有负温度系数阻温特性。本发明采用Pechini法制备出的粉体，具有粒径小、均匀性好、纯度高、反应温度低等优点,将粉体烧结成陶瓷后测试其电学性能，结果显示在350-900℃高温区域该材料的温度和阻值呈现良好的线性规律，可以用来做高温型负温度系数热敏电阻。

本发明采用Pechini法制备的新型钙钛矿热敏电阻材料，是一种适用于高温区的负温度系数热敏材料，该材料在温度350-900℃范围具有优秀的负温度系数特性，材料体系的电性能稳定，一致性好，适合用于制造航空航天、汽车领域温度测量与控制的高温热敏电阻器。

发明内容