Високотемпературний позисторний керамічний матеріал

Високотемпературний позисторний керамічний матеріал на основі твердого розчину Ваі х РЬ х Ті0з, де незначна частина ІОНІВ барію заміщена іонами РЗЕ, наприклад іонами ітрію, який відрізняється тим, що додатково містить скло ХІМІЧНОГО складу РЬдВібЗізОз9 при такому співвідношенні компонентів, мол % ВаСОз 46,10-30,02 ТЮ 2 48,54-32,43 Y2O3 0,10-0,13 РЬТЮз 5,14-37,02 Скло ХІМІЧНОГО складу РЬдВібЄізОзд 0,09-0,485 Запропонований винахід може бути використаний в системах захисту від перегріву електричних двигунів, в елементах комутації (безконтактних реле), побутових тепловентиляторів і стосується розробки нових матеріалів з позитивним температурним коефіцієнтом опору [1,2] ВІДОМІ позисторні матеріали на основі титанату барію, в яких позитивний температурний коефіцієнт опору (ПТКО) має місце при високій температурі (160-300°С), синтезують з ВаСОз, РЬТЮз (РЬО), ТіО 2 та оксидів рідкісноземельних елементів (РЗЕ), котрі надають матеріалам напівпровідникових властивостей Такі позисторні матеріали є фактично твердими розчинами на основі титанатів барію-свинцю з структурою перовскіту, в яких іони Y (або ІНШІ ІОНИ РЗЕ) частково заміщують іони барію Позисторний ефект спостерігається при температурах вище сегнетоелектричного переходу, який в даних системах твердих розчинів підвищується з ростом вмісту РЬТЮз Недоліком таких матеріалів є випаровування свинцю при високих температурах, що призводить до утворення вакансій в підгратці свинцю і, в кінцевому результаті, не дозволяє отримати позисторні матеріали з високими робочими температурами Найбільш близькими по технічній суті і досягнутим результатам до винаходу, що заявляється, є позисторний матеріал [4] - прототип В цьому випадку тверді розчини на основі Ваі хРЬхТЮз, де незначна частина ІОНІВ барію заміщена іонами РЗЕ, наприклад іонами ітрію, отримують з використанням методу "атмосферного тиглю" Суть методу полягає утому, що сиру заготовку РЬ-вмісного позисторного матеріалу вкладають у тигель, засипають шихтою з матеріалу того ж ХІМІЧНОГО складу, що й заготовка, і накривають тигель кришкою При високій температурі під час спікання з шихти випаровується свинець, утворюючи в закритому об'ємі парціальний тиск свинцю, що дозволяє зменшити випаровування свинцю з керамічних заготовок Недоліками даного методу є значні витрати матеріалу, підвищене випаровування свинцю з шихти, що призводить до корозії тиглів та суттєвого забруднення атмосфери Аналогічний позисторний матеріал на основі Ваі х РЬ х Ті0з отримувався в роботі [3], де вдалося досягти вмісту свинцю лише 10 мол % , як наслідок, відповідна температура прояву ПТКО складає ~160°С, що є основним недоліком, оскільки не дозволяє створити матеріали з більш високими температурами позисторного ефекту вш В основу даного винаходу покладено завдання отримати низькоомну позисторну кераміку, що містить значну концентрацію титанату свинцю і в якій позисторний ефект спостерігається при високих температурах Поставлене завдання досягається тим, що до позисторного матеріалу на основі твердого розчину Ваі хРЬхТЮз, де незначна частка ІОНІВ барію заміщена іонами РЗЕ, наприклад Y3+ додатково вводять до 0,485 мол % скла такого ХІМІЧНОГО складу РЬдВібЗізОз9 Введення даного легкоплавкого скла дозволяє значно знизити температуру спікання, що дає змогу обмежити або виключити випаровування свинцю з кераміки Крім того, збільшення концентрації легкоп О ю ю CO 43550 лавкої скло-фази, котра обволікає зерна кераміки під час спікання, також призводить до зниження випаровування свинцю Використання легкоплавкого скла дозволяє знизити температуру спікання від 1340-136СГС до 1190-121СГС Це дає змогу одержати позисторну кераміку Ваі хРЬхТі0з, в якій ступінь заміщення ІОНІВ барію іонами свинцю досягає 55-60 мол % Завдяки запропонованому методу можливо одержати кераміку, в якій позисторний ефект проявляється в інтервалі температур вище 300°С При цьому питомий опір при кімнатній температурі становить 150-250 Ом см Приклади, що ілюструють винахід Позисторні матеріали на основі твердих розчинів Ваі хРЬхТі0з одержували в повітряній атмосфері методом твердофазних реакцій Основними вихідними компонентами були ВаСОз, ТіОз і Y2O3 кваліфікації "ос ч ", РЬТЮз кваліфікації "х ч " Як домішки використовували скло складу РЬдВібЗізОз9 Скло попередньо синтезували таким чином ВИХІДНІ компоненти РЬО ("х ч "), S1O2, В2О3 ("ос ч ") брали у мольному співвідношенні РЬО S1O2 B2O3 = 9 3 8 Після ретельного змішування суміш оксидів свинцю, кремнію та бору переносили у алундовий тигель, закривали кришкою і піддавали термообробці при 800°С 3-4 години Розтоплене скло виливали у холодну дистильовану воду, плав розмелювали на вібромлині Дисперс ний порошок легкоплавкого скла сушили при 200°С ВаСОз, РЬТЮз, ТіОз та Y2O3, які бралися у необхідних стехіометричних співвідношеннях, після ретельного змішування синтезували при температурі 1000-1100°С протягом 1, 5-2 годин Синтезовану суміш розмелювали, додавали на етапі розмелу порошок попередньо синтезованого скла Змішану і висушену шихту пресували у вигляді елементів необхідної форми (шайби, пластини) та спікали при температурах 1190-1250°С протягом 1-1,5 годин КІЛЬКІСТЬ ВІЛЬНОГО оксиду барію в ке раміці визначали методом ХІМІЧНОГО аналізу Вміст основних елементів встановлювали за допомогою атомно-адсорбційного спектрофотометра SP9 фірми Pue Unicom Рентгенофазовий аналіз проводили за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН-ЗМ (Си-випромінювання, Ni-фільтр) Питому густину зразків визначали пікнометрично з використанням чотирихлористого вуглецю ОМІЧНІ контакти на кераміці одержували випалюванням алюмінієвої пасти Вимірювання питомого опору в залежності від температури і напруги електричного поля проводили двозондовим методом У таблиці 1 приведені конкретні склади позисторних матеріалів, а в таблиці 2 - характеристики ВІДПОВІДНИХ матеріалів Склад позисторного керамічного матеріалу (мол %) і температури спікання Таблиця 1 № ВаСО3 Y2O3 ТЮ 2 РЬТЮз Pb9B1sSi3039 Тсп,°С 1 46,105 0,102 48,546 5,156 0,091 1290 2 46,073 0,102 48,503 5,1421 0,180 1250 3 41,650 0,111 44,080 13,960 0,205 1200 4 41,610 0,111 40,684 13,940 0,306 1230 5 38,250 0,118 40,633 20,726 0,222 1190 6 38,212 0,118 36,850 20,703 0,334 1230 7 34,420 0,126 36,850 28,360 0,244 1190 8 34,33 0,125 36,760 28,300 0,485 1200 9 30,020 0,130 32,430 37,020 0,400 1300 Електрофізичні властивості позисторного керамічного матеріалу Таблиця 2 № (склад відповідає табл.1) Температура прояву ПТКО, °С Питомий опір при Т=20°С р, Ом-см Кратність зміни опоРУ Густина кераміки Р, г/см3 1 160 120 3,6 5,35 2 160 70 3,8 5,57 3 220 60 3,6 5,44 4 220 35 3,7 5,59 5 270 270 2,7 5,42 6 270 70 3,1 5,64 lg(pmax/pmin) 43550 Продовження табл 2 № (склад відповідає табл.1) Температура прояву ПТКО, °С Питомий опір при Т=20°С р, Ом-см Кратність зміни опоРУ 7 310 200 3,2 5,22 8 310 500 2,9 5,64 9 340 1200 2,2 5,98 Список лггератури 1 Шефгель И Г Терморезисторы М Наука, 1973 -416 с 2 Полупроводники на основе титаната бария /Пер с японского И Б Реута - М Энергоиздат 1982-325 с З А В Мясоедов, С Р Сырцов Положительный температурный коэффициент сопротивления lg(pmax/pmin) в свинецсодержащей керамике титаната бария // Журн техн физики -1997-67, №9 4 Chun-Hung Lai, Yuh-Yin Lu, Tseung-Yeun Teen Calculations and modeling of gram-boundary acceptor state for (Ва.РЬ)ТіОз positive temperature coefficient ceramics //J AppI Phys -1993 - 7 4 ( 5 ) P 3383-88 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 Густина кераміки Р, г/см3 (03122) 2 - 5 7 - 0 3 43550