专利名称：高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的制备和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的制备和应用，确切说，涉及一种用低温烧结工艺制备高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的方法和该材料的应用，属压敏电阻材料制造和应用的技术领域。
背景技术：
氧化锌压敏电阻具有优异的伏-安特性，广泛用于制造避雷器阀片。为实现避雷器阀片的小型化和轻型化，降低制造成本，开发高电位梯度是发展趋势[1]。Viswanath[2]使用胶悬浮和离心分离法得到的超细纳米粉，在烧结温度750℃制备出电位梯度高达3000V/mm的氧化锌压敏电阻。Duran[3]也利用化学方法制得纳米粉，在两段烧结温度900℃及825℃下制备了电位梯度为2000V/mm的氧化锌压敏电阻。上两种方法均存在工艺复杂、成本高的缺点，难以形成规模生产。Oh[4]采用第一次无氧化铋粉末烧结，涂以含氧化铋浆料后再第二次烧结的办法，开发的氧化锌压敏电阻的电位梯度为500-900V/mm，但烧结温度高，第一次和第二次烧结温度分别1200-1350℃和1000-1200℃。Fah[5]采用接近工业化技术的高能球磨法，将粉料细化至17nm左右，先单轴压制再等静压成型，在烧结温度降至1100℃以下，制备出了电位梯度达440V/mm的氧化锌压敏电阻。Alamdari[6]采用与Fah不同的添加剂高能球磨，在1000℃下制备的氧化锌压敏电阻的电位梯度为1550V/mm。但最后两种方法的烧结温度仍然较高，等静压成型技术使成本增加。
参考文献[1]李盛涛.ZnO压敏电阻片的基础研究和技术发展动态[J].电磁避雷器，1998，(3)42-48. R.N.Viswanath，S.Ramasamy，R.Ramamoorthy，etal.Preparation andcharacterization of nanocrystalline ZnO based materials for varistorapplications[J].Nanostructured materials，1995，6993-996. P.Duran，F.Capel，J.Tartaj，C.Moure.Effects of low-temperature annealing onthe microstructure and electrical properties of doped-ZnO varistors[J].KeyEngineering Materials，2002，206-2131389-1392. Myung H.Oh，Kyung J，Lee，In J.Chung，etal.Fabrication method for highvoltage zinc oxide varistor[P].U.S.5004573，Apr.2，1991. C.P.Fah，J.Wang.Effect of high-energy mechanical activation on themicrostructure and electrical properties of ZnO-based varistors[J]，Solid StateIonics，2000，132107-117. H.D.Alamdari，S.Boily，M.Blouin，etal.High energy ball milled nanocrystallineZnO varistors[J].Materials Science Forum，2000，343-346909-917.
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的制备方法。该方法有工艺简单、易于操作，对设备要求不高，生产成本低的优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案是以商购微米级氧化锌ZnO、三氧化二铋Bi2O3、三氧化二锑Sb2O3、三氧化二铬Cr2O3、三氧化二钴Co2O3和二氧化锰MnO2为原料，将原料按摩尔比ZnO∶Bi2O3∶Sb2O3∶Cr2O3∶Co2O3∶MnO2为96.5∶0.7∶1.0∶0.5∶0.8∶0.5混合，通过第一次高能细磨、低温烧结、第二次高能细磨三步，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻材料。所述的材料是上述氧化物纳米级粉体的均匀混合粉。
现详细说明上述的技术方案。
一种高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的制备方法，其特征在于，具体操作步骤第一步 第一次高能细磨以商购微米级氧化锌ZnO、三氧化二铋Bi2O3、三氧化二锑Sb2O3、三氧化二铬Cr2O3、三氧化二钴Co2O3和二氧化锰MnO2粉体为原料，按摩尔比ZnO∶Bi2O3∶Sb2O3∶Cr2O3∶Co2O3∶MnO2为96.5∶0.7∶1.0∶0.5∶0.8∶0.5混合成金属氧化物混合粉，该混合粉放入高能球磨机，在转速和球粉比分别为300-650rpm和15-40∶1的高能球磨条件下，在无水乙醇中湿磨2-10小时，烘干，该混合粉再在相同的高能球磨条件下，干磨0.5小时，得干燥的金属氧化物混合粉；第二步 低温烧结将第一步得到的干燥金属氧化物混合粉压制后，在350-650℃下低温烧结1.5-2.5小时，得烧结块体；第三步 第二次高能细磨将第二步得到的烧结块体粉碎后，在与第一步相同的高能球磨条件下，在无水乙醇中湿磨3-6小时，烘干，再干磨0.5小时，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻材料。
本发明的技术方案的进一步特征在于，高能球磨机是采用钢质耐磨球和尼龙罐的行星式高能球磨机。
本发明要解决的第二个技术问题是提供高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的应用，确切说，提供一种以上述制得的材料为原料制备高电位梯度氧化锌压敏电阻的方法。
本发明采用以下技术方案来实现上述技术问题。以上述制得的材料为原料，通过压制成型、低温烧结、涂电极银浆和焊接电极引线四步，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻。
现细述所述的的技术方案。
一种制备高电位梯度氧化锌压敏电阻的方法，其特征在于，具体操作步骤第一步 压制成型将高电位梯度氧化锌压敏电阻材料压制成密度为5.50-5.57g/cm3柱形实体；第二步 低温烧结将第一步得到的柱形实体放入电阻炉中，900℃下低温烧结2-8小时；第三步 涂电极银浆在第二步烧成的柱形实体的两个端面上，涂上电极银浆，放入电阻炉，600℃下保温10-30分钟，随炉冷却至室温；第四步 焊接电极引线在第三步烧成的电极银浆面上，采用钎焊工艺焊接电极引线，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻。
上述产品的指标密度为5.50-5.57g/cm3，压敏电位(V1mA)梯度为820-900V/mm，非线性指数为31-40，漏电流(0.75V1mA下)为6.27-9.60μA。
与背景技术相比，本发明具有下列突出优点(1)X射线衍射(XRD)分析表明，两次高能球磨后，金属氧化物混合粉的晶粒尺寸减小到22nm左右，粒度大大细化，确保具有良好的低温烧结性能。
(2)第二步的低温烧结工艺使金属氧化物混合粉各组分之间进行一定的固相反应，各组分的分散均匀程度大大提高，同时由于降低了原料的活性，改善了原料的烧成性能，对获得均匀一致的金属氧化物混合粉烧结体具有极大的促进作用。
(3)烧结温度大大降低，仅为900℃。扫描电镜断口分析表明，本发明方法制得的高电位梯度氧化锌压敏电阻的晶粒尺寸为1.5-3.5μm。
(4)采用常规设备、工艺简单，生产成本低。
本发明所涉方法制备的高电位梯度氧化锌压敏电阻与国内外同类电阻的性能对比，列于表1。
表1
图1是金属氧化物混合粉经高能球磨5小时湿磨和1小时干磨的处理后，其X射线衍射图谱。
图2是金属氧化物混合粉经高能球磨5小时湿磨和1小时干磨、900℃温度下烧结和保温2小时的处理后，其扫描电镜断口形貌。
具体实施例方式
所有的实施例均完全按照上述高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的制备方法和上述高电位梯度氧化锌压敏电阻的制备方法的操作步骤进行操作。
实施例1(1)制备高电位梯度氧化锌压敏电阻材料第一步中，以商购微米级氧化锌ZnO、三氧化二铋Bi2O3、三氧化二锑Sb2O3、三氧化二铬Cr2O3、三氧化二钴Co2O3和二氧化锰MnO2粉体为原料，按摩尔比ZnO∶Bi2O3∶Sb2O3∶Cr2O3∶Co2O3∶MnO2为96.5∶0.7∶1.0∶0.5∶0.8∶0.5混合成金属氧化物混合粉。高能球磨机为行星式高能球磨机，采用钢质耐磨球和尼龙罐。高能球磨条件转速620rpm，球粉比16∶1。无水乙醇中湿磨2小时，烘干，干磨0.5小时。第二步中，10吨万能液压机下压制成块，电阻炉中380℃下低温烧结1.5小时。第三步中，烧结块体粉碎。高能球磨条件与第一步的相同。无水乙醇中湿磨3小时，烘干，干磨0.5小时，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻材料。
(2)制备高电位梯度氧化锌压敏电阻第一步中，将干燥的高电位梯度氧化锌压敏电阻材料在10吨万能液压机下压制成密度为5.50g/cm3的柱形实体，如Φ10×2.0mm的圆柱形标样。第二步中，将标样放入电阻炉中，900℃下低温烧结2小时。第三步中，在烧成标样的两个端面上，均匀地涂上电极银浆后，放入电阻炉中，600℃下保温10分钟，随炉冷却至室温。第四步中，在烧成的电极银浆面上，采用钎焊工艺焊接电极引线，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻。
上述产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻的技术指标密度为5.50g/cm3，压敏电位(V1mA)梯度为875.44V/mm，非线性指数为31.5，漏电流(0.75V1mA下)为9.60μA。
实施例2(1)制备高电位梯度氧化锌压敏电阻材料第一步中，以商购微米级氧化锌ZnO、三氧化二铋Bi2O3、三氧化二锑Sb2O3、三氧化二铬Cr2O3、三氧化二钴Co2O3和二氧化锰MnO2粉体为原料，按摩尔比ZnO∶Bi2O3∶Sb2O3∶Cr2O3∶Co2O3∶MnO2为96.5∶0.7∶1.0∶0.5∶0.8∶0.5混合成金属氧化物混合粉。高能球磨机为行星式高能球磨机，采用钢质耐磨球和尼龙罐。高能球磨条件转速460rpm，球粉比20∶1。无水乙醇中湿磨2小时，烘干，干磨0.5小时。第二步中，15吨万能液压机下压制成块，电阻炉中550℃下低温烧结2小时。第三步中，烧结块体粉碎。高能球磨条件与第一步的相同。无水乙醇中湿磨3小时，烘干，干磨0.5小时，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻材料。
(2)制备高电位梯度氧化锌压敏电阻第一步中，将干燥的高电位梯度氧化锌压敏电阻材料在15吨万能液压机下压制成密度为5.56g/cm3的柱形实体，如Φ10×2.0mm的圆柱形标样。第二步中，将标样放入电阻炉中，900℃下低温烧结4小时。第三步中，在烧成标样的两个端面上，均匀地涂上电极银浆后，放入电阻炉中，600℃下保温20分钟，随炉冷却至室温。第四步中，在烧成的电极银浆面上，采用钎焊工艺焊接电极引线，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻。
上述产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻的技术指标密度为5.56g/cm3，压敏电位(V1mA)梯度为819.77V/mm，非线性指数为36，漏电流(0.75V1mA下)为6.27μA。
实施例3.
(1)制备高电位梯度氧化锌压敏电阻材料第一步中，以商购微米级氧化锌ZnO、三氧化二铋Bi2O3、三氧化二锑Sb2O3、三氧化二铬Cr2O3、三氧化二钴Co2O3和二氧化锰MnO2粉体为原料，按摩尔比ZnO∶Bi2O3∶Sb2O3∶Cr2O3∶Co2O3∶MnO2为96.5∶0.7∶1.0∶0.5∶0.8∶0.5混合成金属氧化物混合粉。高能球磨机为行星式高能球磨机，采用钢质耐磨球和尼龙罐。高能球磨条件转速320rpm，球粉比40∶1。无水乙醇中湿磨8小时，烘干，干磨0.5小时。第二步中，25吨万能液压机下压制成块，电阻炉中630℃下低温烧结2.5小时。第三步中，烧结块体粉碎。高能球磨条件与第一步的相同。无水乙醇中湿磨6小时，烘干，干磨0.5小时，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻材料。
(2)制备高电位梯度氧化锌压敏电阻第一步中，将干燥的高电位梯度氧化锌压敏电阻材料在25吨万能液压机下压制成密度为5.57g/cm3的柱形实体，如Φ10×2.0mm的圆柱形标样。第二步中，将标样放入电阻炉中，900℃下低温烧结4小时。第三步中，在烧成标样的两个端面上，均匀地涂上电极银浆后，放入电阻炉中，600℃下保温30分钟，随炉冷却至室温。第四步中，在烧成的电极银浆面上，采用钎焊工艺焊接电极引线，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻。
上述产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻的技术指标密度为5.57g/cm3，压敏电位压敏电位(V1mA)梯度为870.00V/mm，非线性指数为40，漏电流(0.75V1mA下)为8.37μA。
权利要求
1.一种高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的制备方法，其特征在于，具体操作步骤第一步 第一次高能细磨以商购微米级氧化锌ZnO、三氧化二铋Bi2O3、三氧化二锑Sb2O3、三氧化二铬Cr2O3、三氧化二钴Co2O3和二氧化锰MnO2粉体为原料，按摩尔比ZnO∶Bi2O3∶Sb2O3∶Cr2O3∶Co2O3∶MnO2为96.5∶0.7∶1.0∶0.5∶0.8∶0.5混合成金属氧化物混合粉，该混合粉放入高能球磨机，在转速和球粉比分别为300-650rpm和15-40∶1的高能球磨条件下，在无水乙醇中湿磨2-10小时，烘干，该混合粉再在相同的高能球磨条件下，干磨0.5小时，得干燥的金属氧化物混合粉；第二步 低温烧结将第一步得到的干燥金属氧化物混合粉压制后，在350-650℃下低温烧结1.5-2.5小时，得烧结块体；第三步 第二次高能细磨将第二步得到的烧结块体粉碎后，在与第一步相同的高能球磨条件下，在无水乙醇中湿磨3-6小时，烘干，再干磨0.5小时，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻材料。
2.根据权利要求1所述的高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的制备方法，其特征在于，高能球磨机是采用钢质耐磨球和尼龙罐的行星式高能球磨机。
3.一种以权利要求1所述的高电位梯度氧化锌压敏电阻材料为原料，制备高电位梯度氧化锌压敏电阻的方法，其特征在于，具体操作步骤第一步 压制成型将高电位梯度氧化锌压敏电阻材料压制成密度为5.50-5.57g/cm3柱形实体；第二步 低温烧结将第一步得到的柱形实体放入电阻炉中，900℃下低温烧结2-8小时；第三步 涂电极银浆在第二步烧成的柱形实体的两个端面上，涂上电极银浆，放入电阻炉，600℃下保温10-30分钟，随炉冷却至室温；第四步 焊接电极引线在第三步烧成的电极银浆面上，采用钎焊工艺焊接电极引线，得产品，高电位梯度氧化锌压敏电阻。
全文摘要
一种高电位梯度氧化锌压敏电阻材料的制备和应用，属压敏电阻材料制造和应用的技术领域。所述材料的制备将原料按摩尔比ZnO∶Bi
文档编号H01C7/112GK1687999SQ200510025398
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月26日 优先权日2005年4月26日
发明者马学鸣, 刘宏玉 申请人:华东师范大学