CN101704668A - 一种ZnO陶瓷电阻及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种ZnO陶瓷电阻及其制备方法，将占原料总重量0.2-20％的TiO2、0.2-20％的MgO、0.2-10％的Sb2O3、Al2O3、Y2O3、CaO、SiO2、SnO2、ZrO2中的一种或几种，比例任意，按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，得到复合添加剂，再将复合添加剂与ZnO高能球磨预合成法制备成ZnO陶瓷电阻材料，本发明保证了各添加剂的均匀分布，从而提高了该电阻材料的综合性能，其电阻范围大，性能稳定，易于产业化生产。
Description
技术领域
本发明属于材料科学领域，特别涉及一种ZnO陶瓷电阻及其制备方法。
背景技术
随着电子、电力工业的发展，对电力设备的可靠性、经济性以及小型化等诸多方面的要求越来越高。陶瓷电阻电阻率比金属电阻电阻率高很多，可以实现相同阻值下减小电阻重量，减小体积和占地面积，实现轻量化、小型化。目前，用得较多的是以氧化铝、粘土和碳为主要原料制备的陶瓷电阻，但该系统电阻存在如电阻温度系数大、使用温度低、稳定性差以及能量密度低等缺点。近年来，发展起来的以氧化锌为主的陶瓷电阻因其性能有了明显的提高而已在SP6断路器、中性点电阻、释能电阻、无感测量等领域得到了应用。
目前，制备ZnO陶瓷电阻的主要原料为氧化锌，氧化镁，氧化铝等，另外，添加少量其它添加剂，经过混合，细磨，造粒，压制，烧结等工艺合成。由于该产品所用添加剂目前处于探索阶段，其作用机制尚未完全理解，因此，不同研究者及厂家用不同类型的添加剂种类，但其综合性能很难提高；中国专利96123503.9提供了一种实验室制备氧化锌电阻的方法，但该工艺复杂，难以实现产业化生产，同时，其性能难以满足电力工业对电阻的要求；专利02140486.0提供了一种能进行大量生产的氧化锌电阻生产工艺，但由于添加剂种类多，含量少，该工艺难以使各添加剂均匀分布，从而造成产品性能稳定性产，成品率难以提高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种ZnO陶瓷电阻及其制备方法，利用复合添加剂高能球磨预合成法制备ZnO陶瓷电阻材料，该方法保证了各添加剂的均匀分布，从而提高了该电阻材料的综合性能，其电阻范围大，性能稳定，易于产业化生产。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种ZnO陶瓷电阻材料，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总量的60-95％，TiO2占总重量的0.2-20％，MgO占总重量的0.2-20％，其余成分为Sb2O3、Al2O3、Y2O3、CaO、SiO2、SnO2、ZrO2中的一种或几种，比例任意，占总重量的0.2-10％。
一种ZnO陶瓷电阻的制备方法，包括以下步骤：
一、将占原料总重量0.2-20％的TiO2、0.2-20％的MgO、0.2-10％的Sb2O3、Al2O3、Y2O3、CaO、SiO2、SnO2、ZrO2中的一种或几种，比例任意，按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨2-3小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温2-3小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为500-800转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨5-9小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥；
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的(5-40)％，ZnO的用量占总量的(60-95)％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨1-3小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.1-3.3g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1280-1340℃，保温2-3小时，之后以50-100℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
本发明利用复合添加剂及添加剂预合成工艺制备的氧化锌陶瓷电阻，具有综合性能高，电阻范围大，性能稳定，易于产业化生产的特点。
其性能指标为：
电阻率：40-2500Ω·cm；
电阻温度系数：≤±5×10-3/℃(20-500℃)；
能量耐受：500-800J/cm3；
非线性：≤1.2。
具体实施方式
实施例一
一种ZnO陶瓷电阻材料，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总量的88.02％，TiO2占总重量的4.8％、MgO占总重量的2.42％、Sb2O3占总重量的4.76％。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
一、将占原料总重量4.8％的TiO2、2.42％的MgO、4.76％的Sb2O3按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨3小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温3小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为500转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨8小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥；
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的11.98％，ZnO的用量占总量的88.02％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨2小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.2g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1300℃，保温3小时，之后以60℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
本实施例所得的电阻性能为：
电阻率：1600Ω·cm；
电阻温度系数：-2×10-4/℃(20-500℃)；
能量耐受：800J/cm3；
非线性：1.1。
实施例二
一种ZnO陶瓷电阻材料，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总重量的86.51％，TiO2占总重量的9.98％、MgO占总重量的2.52％、ZrO2占总重量的0.99％。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
一、将占原料总重量9.98％的TiO2、2.52％的MgO、0.99％的ZrO2按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨2小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温2小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为600转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨8小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥；
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的13.49％，ZnO的用量占总量的86.51％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨2小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.2g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1320℃，保温2小时，之后以50℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
本实施例所得的电阻性能为：
电阻率：700Ω·cm；
电阻温度系数：6×10-5/℃(20-500℃)；
能量耐受：750J/cm3；
非线性：1.1。
实施例三
一种ZnO陶瓷电阻材料，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总量的91.13％，TiO2占总重量的5.08％、MgO占总重量的3.59％、SiO2占总重量的0.2％。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
一、将占原料总重量5.08％的TiO2、3.59％的MgO、0.2％的SiO2按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨3小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温2小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为500转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨9小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥；
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的8.87％，ZnO的用量占总量的91.13％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨2小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.2g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1340℃，保温3小时，之后以50℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
本实施例所得的电阻性能为：
电阻率：100Ω·cm；
电阻温度系数：1.5×10-4/℃(20-500℃)；
能量耐受：700J/cm3；
非线性：1.05。
实施例四
一种ZnO陶瓷电阻材料，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总量的91.51％，TiO2占总重量的1.68％、MgO占总重量的3.12％、Al2O3占总重量的3.02％、Y2O3占总重量的0.34％、SnO2占总重量的0.33％。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
一、将占原料总重量1.68％的TiO2、3.12％的MgO、3.02％的Al2O3、0.34％的Y2O3、0.33％的SnO2按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨2小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温2小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为800转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨6小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥。
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的8.49％，ZnO的用量占总量的91.51％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨3小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.2g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1320℃，保温3小时，之后以70℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
本实施例所得的电阻性能为：
电阻率：630Ω·cm；
电阻温度系数：-2×10-4/℃(20-500℃)；
能量耐受：800J/cm3；
非线性：1.05。
Claims (10)
1.一种ZnO陶瓷电阻材料，其特征在于，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总量的60-95％，TiO2占总重量的0.2-20％、MgO占总重量的0.2-20％、其余成分为Sb2O3、Al2O3、Y2O3、CaO、SiO2、SnO2、ZrO2中的一种或几种比例任意，占总重量的0.2-10％。
2.根据权利要求1所述的一种ZnO陶瓷电阻材料，其特征在于，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总量的88.02％，TiO2占总重量的4.8％、MgO占总重量的2.42％、Sb2O3占总重量的4.76％。
3.根据权利要求1所述的一种ZnO陶瓷电阻材料，其特征在于，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总量的86.51％，TiO2占总重量的9.98％、MgO占总重量的2.52％、ZrO2占总重量的0.99％。
4.根据权利要求1所述的一种ZnO陶瓷电阻材料，其特征在于，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总量的91.13％，TiO2占总重量的5.08％、MgO占总重量的3.59％、SiO2占总重量的0.2％。
5.根据权利要求1所述的一种ZnO陶瓷电阻材料，其特征在于，其原料组成按重量百分比为：ZnO占总量的91.51％，TiO2占总重量的1.68％、MgO占总重量的3.12％、Al2O3占总重量的3.02％、Y2O3占总重量的0.33％、SnO2占总重量的0.33％。
6.一种ZnO陶瓷电阻的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、将占原料总重量0.2-20％的TiO2、0.2-20％的MgO、0.2-10％的Sb2O3、Al2O3、Y2O3、CaO、SiO2、SnO2、ZrO2中的一种或几种比例任意，按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨2-3小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温2-3小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为500-800转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨5-9小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥。
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的(5-40)％，ZnO的用量占总量的(60-95)％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨1-3小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.1-3.3g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1280-1340℃，保温2-3小时，之后以50-100℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
7.根据权利要求6所述的一种ZnO陶瓷电阻的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、将占原料总重量4.8％的TiO2、2.42％的MgO、4.76％的Sb2O3按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨3小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温3小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为500转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨8小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥.
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的11.98％，ZnO的用量占总量的88.02％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨2小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.2g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1300℃，保温3小时，之后以60℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
8.根据权利要求6所述的一种ZnO陶瓷电阻的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、将占原料总重量9.98％的TiO2、2.52％的MgO、0.99％的ZrO2按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨2小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温2小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为600转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨8小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥。
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的13.49％，ZnO的用量占总量的86.51％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨2小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.2g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1320℃，保温2小时，之后以50℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
9.根据权利要求6所述的一种ZnO陶瓷电阻的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、将占原料总重量5.08％的TiO2、3.59％的MgO、0.2％的SiO2按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨3小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温2小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为500转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨9小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥；
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的8.87％，ZnO的用量占总量的91.13％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨2小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.2g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1340℃，保温3小时，之后以50℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
10.根据权利要求6所述的一种ZnO陶瓷电阻的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、将占原料总重量1.68％的TiO2、3.12％的MgO、3.02％的Al2O3、0.33％的Y2O3、0.33％的SnO2按传统陶瓷的制备工艺进行干法混合、球磨，其中，所用球磨介质为氧化锆球石，料、球质量比为1∶2，球磨2小时，所得粉体装在氧化铝匣钵中以每小时200℃的升温速率烧至700℃，并保温2小时，然后自然冷却至室温，得到复合添加剂；
二、将步骤一中所得的复合添加剂采用不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机上加乙醇进行高能球磨，球磨机转速为800转/分钟，球、粉质量比为20∶1，球磨6小时后，将浆料按传统陶瓷材料制备工艺进行除铁和干燥；
三、将步骤二中所得的复合添加剂和ZnO粉体按重量比进行混合，其中复合添加剂的用量占总量的8.49％，ZnO的用量占总量的91.51％，用氧化锆球为球磨介质，加入原料总质量2％的聚乙烯醇水溶液进行球磨3小时制成浆料；
四、将步骤三所制备的浆料按传统陶瓷的工艺进行喷雾造粒并进行干压成型，素坯体积密度为3.2g/cm3；
五、将步骤四中所成型坯体以3℃/分钟的升温速率烧到1320℃，保温3小时，之后以70℃/小时的降温速率冷却到室温；
六、将步骤五中所烧结试样表面进行抛光，喷铝电极，即制得所需的陶瓷电阻。
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