Позисторний матеріал на основі титанату барію-літію-вісмуту

Реферат: UA 76005 U UA 76005 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до розробки функціональних напівпровідникових матеріалів на основі титанату барію, які проявляють ефект позитивного температурного коефіцієнту опору (ПТКО) при температурах вище 120 °C і може бути використана при виготовленні датчиків температур, саморегульованих нагрівачів та обмежувачів струму [1, 2]. Позисторні матеріали проявляють ефект ПТКО при температурі фазового переходу. Для створення нагрівних елементів для дизельних двигунів необхідні позисторні матеріали, які характеризуються високими температурами Кюрі (120-160 °C) і мають відносно низькі значення 2 опорів при кімнатній температурі (20 °C~ 10 Ом-см). Крім того, позисторні матеріали повинні мати високу щільність кераміки для гарної відтворюваності результатів. Серед відомих високотемпературних позисторних матеріалів, тверді розчини системи (1x)(Ba, Y)TiO3-PbTiO3 проявляють ефект ПТКО при температурах вище 120 °C (аналог) [3]. При температурах спікання 1200-1300 °C в атмосфері повітря такі матеріали мають питомий опір 2 при кімнатній температурі 20 °C  10 Омсм. Ефект ПТКО в даній системі матеріалів проявляється при температурах 160-270 °C. при цьому кратність зміни опору складає біля 3 порядків. Недоліком таких матеріалів є наявність токсичного свинцю, який є забороненим для використання на практиці [4]. Найбільш близьким по технічній суті і досягнутим результатам до корисної моделі, яка заявляється, є напівпровідниковий безсвинцевий матеріал на основі твердих розчинів (1-х)BaTiO3-хNa0,5Bi0,5TiO3 (найближчий аналог) [5, 6, 7]. Матеріали даної системи з 0≤х≤0,5 проявляють ефект ПТКО в температурному інтервалі 120-220 °C. Основним недоліком матеріалів на основі (1-х)BaTiO3-хNa0-5Bi0,5TiO3 є відносно високі значення опорів при кімнатній температурі (20 °C 200 Ом см). Крім того, такі матеріали мають високі значення температур спікання ( 1300 °C), що призводить до великих втрат легких сполук натрію та вісмуту і, як наслідок, зменшується відтворюваність властивостей в зразках однієї партії. В основу корисної моделі поставлена задача одержати низькоомний (20 °C ≤150 Ом см) безсвинцевий матеріал в якому ефект ПТКО проявляється при 130-160 °C (відповідно, з робочою температурою 130-160 °C), з кратністю зміни опору в області ПТКО не менше 2-3 порядків. Поставлена задача досягається заміною іонів натрію на іони літію в системі (1-х)ВаТіО3-хNa0,5Ві0,5TiO3 та спіканням матеріалу у відновній атмосфері. Спікання у відновній атмосфері дозволяє отримати матеріали з напівпровідниковими властивостями. Заміна іонів натрію на іони літію в системі (1-x)ВаТіO3-хNa0,5Ві0,5TiO3 призводить до зниження питомого опору при кімнатній температурі. Використання попередньо приготованого оксалатним методом титанату барію при синтезі матеріалів системи (1-x)ВаТіO3-хLi0,5Ві0,5TiO3 дозволяє знизити температуру спікання матеріалів і перешкоджає великим втратам летких сполук. Завдяки запропонованому складу кераміки на основі системи (1-x)ВаТіO3-хLi0,5Ві0,5TiO3 2 можна одержати нові функціональні низькоомні матеріали (20 °C  10 Ом см), в яких ефект ПТКО проявляється при 130-160 °C, з високою кратністю зміни опору. Для приготування ВаТіО3 оксалатним методом використовують ТіСl4, ВаСl2 і Н2С2О4 кваліфікації "х.ч.". Водні розчини ВаС12 и ТіС14 змішують, після чого при безперервному перемішуванні додають в розчин щавлевої кислоти. Розчин доводять до кипіння і залишають на 2 години відстоюватися. Після чого білий осад, що утворився ВаТіО(С2О4)4Н2О відфільтровують і ретельно промивають дистильованою водою. Осад висушують при 150 °C протягом 2х годин. ВаТіО3 отримують прожарюванням ВаТіО(С2О4)4Н2О при температурах  800 °C протягом 2х годин. На другому етапі синтезу для отримання позисторних матеріалів системи (1-x)ВаТіO3-xLi0,5Ві0,5TiO3 до приготовленого ВаТіО3 додають Li2СО3, Ві2O3, ТіО2 кваліфікації "ос.ч.". Після чого порошки змішують протягом 4х годин у присутності етанолу в кульовому млині. Термообробку зразків проводять в температурному інтервалі 800-870 °C протягом 4-х годин. Порошки після термообробки пресують з використанням полівінілового спирту в таблетки (10 мм в діаметрі і 2 мм товщиною) при тиску 150 МПа. Спікання проводять в потоці суміші газів N2/H2 (99,5:0,5) в температурному інтервалі 1100-1260 °C з подальшим окисленням в повітряній атмосфері при 700 °C. Швидкості нагріву і охолодження для всіх зразків становлять 300 °C/год. На поверхні зразків наносять алюмінієві електроди. Фазовий склад визначають методом ренгенофазового аналізу (РФА) з використанням ДРОН-4-07 (Сu Кα випромінювання, 40 кВ, 20 мА). Дифрактограми отримують в діапазоні 2=10-150° з розміром кроку 2=0,02° та часом зйомки 10 сек. на точку. Вивчення температурної залежності електричного опору зразків в діапазоні температур від 20 до 500 °C проводять методом комплексного імпедансу. Дані імпедансометричних досліджень отримують за допомогою 1260 Impedance / Gain-phase Analyzer (Solartron Analytical) в діапазоні від 1 Гц до 1 МГц. 1 UA 76005 U 5 10 У таблиці приведено склади позисторних матеріалів та їх електрофізичні властивості. Як видно з таблиці, матеріали системи (1-x)ВаТіO3-xLi0,5Ві0,5TiO3 в концентраційному інтервалі (0,08 ≤х≤0,2), який заявляється, демонструють високі температури Кюрі (Т с= 135-165 °C) одночасно з низькими значеннями опору при кімнатній температурі (20 °C=80-132 Ом см). Дані матеріали мають відносно невисокі температури спікання (Tсп=1170-1255 °C) та характеризуються високою кратністю зміни опору (lg(max/mun)=2,5-4). В той же час при х0,2 величина 20 °C збільшується порівняно із заявленим матеріалом. Таким чином, параметри матеріалів на основі (1-х)ВаТiO3-xLi0,5Ві0,5ТіO3 при x0,2 не відповідають вимогам до високотемпературних позисторних нагрівних елементів. Таблиця Електрофізичні властивості позисторних матеріалів системи (1-х)ВаТіO3-xLі0,5Ві0,5ТіОз Хімічний склад. %мас. № x ВаО 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 15 20 25 30 35 0,05 0,06 0,07 0,08 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Ві2О3 Li2O ТіО2 62,86 62,27 61,69 61,10 59,93 56,96 53,95 50,91 47,83 44,71 41,54 2,51 3,02 3,53 4,04 5,06 7,64 10,25 12,89 15,57 18,29 21,04 0,16 0,19 0,22 0,26 0,32 0,49 0,66 0,83 1,00 1,17 1,35 34,47 34,52 34,56 34,60 34,69 34,91 35,14 35,37 35,60 35,83 36,07 Електрофізичні властивості Tсп, °C Lg 20 °C, ТС, °C Ом см (max/min) 125 107 2,47 1280 125 93 2,34 1275 127 85 2,26 1260 135 80 2,48 1255 140 108 4,01 1240 150 113 2,77 1210 165 132 3,56 1170 165 173 1,19 1130 135 209 2,83 1100 130 420 3,12 1060 120 300 0,69 1020 Примітка В таблиці виділені строки, що відповідають заявленому матеріалу Джерела інформації:. 1. Окадзаки К. Полупроводники на основе титаната бария. М.: Энергоиздат, 1982. 328 с. 2. Шефтель И.Г. Терморезисторы. М.:Наука, 1973. 416 с. 3. Янчевский О. 3… Вьюнов О. И., Белоус А. Г. Получение полупроводниковой керамики на основе титаната бария-свинца с использованием легкоплавких стекол и ее свойства // Неорган, материалы. 2003. Т. 39. № 6. С. 761-768. 4. Directive 2002/95/Ес of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment // Official J. European Union.-2003. - L 37. -P. 19-23. 5. Takecla 11… Aoto W., Shiosaki T. BaTiO3-(Bi, /2Na1/2)TiO3, solid-solution semiconducting ceramics with Tc>130 °C. // Applied Physics Letters. 2005. V. 87. P. 102104. 6. Liu M., Yang D., Qu Y. Effect of sintering procedure on the resistivity of (1-х)ВаТіO3x(Ві0.5Na0.5)ТіО3 ceramics. // Journal of Alloys and Compounds. 2010. V. 508. P. 559-564. 7. Yang L., Zhu X., Li L., Jiang W., Zhou X. Study on the effects of (Bi 1/2Na1/2)TiO3 content on the Curie temperature of (Ві1/2Na1/2)ТіО3-ВаТіО3 PTCR ceramics. // Materials Science Forum. 2011. V. 687. P. 411-415. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Позисторний матеріал на основі титанату барію-літію-вісмуту, який включає ВаО, Ві2О3, Li2O і ТіО2, який відрізняється тим, що для зниження питомого опору при кімнатній температурі барій частково заміщений іонами літію та вісмуту у співвідношенні відповідно до формули (1x)ВаТіО3-хLі0,5Ві0,5ТіО3 при такому співвідношенні компонентів (мас. %): Li2O 0,26-0,66 Вi2О3 4,04-10,25 ТіО2 35,14-34,60 ВаО 53,95-61,10. 2 UA 76005 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3