一种多点电极氧化锌压敏陶瓷的制备方法及电化学试验与流程

1.本发明涉及氧化锌压敏陶瓷技术领域，具体为一种多点电极氧化锌压敏陶瓷的制备方法及电化学试验。


背景技术：

2.氧化锌压敏陶瓷由于其优异的电流
‑
电压特性和较大的能量吸收能力，被广泛应用于电子和电气系统，用于检测和限制瞬态电压浪涌。氧化锌压敏陶瓷的非线性特性归因于氧化锌晶界层中存在的双肖特基势垒。高非线性系数，即更快的时间响应和更有效的保护装置，被认为是最重要的指标。另外，氧化锌压敏陶瓷的压敏电压、漏电流和残压比等参数对其实际应用也有很大的影响。不同的电路应用中，需要合适压敏电压的压敏陶瓷，甚至同一个电路系统中，需要两个甚至更多电压范围的压敏陶瓷，从而实现对电路的有效保护。传统的面电极工艺制备的压敏陶瓷具有特定的压敏电压，无法实现一个压敏陶瓷对多个不同电压要求的元件的保护，为解决上述这一缺点，现设计一种多点电极氧化锌压敏陶瓷。


技术实现要素：

3.针对现有技术中传统的面电极工艺制备的压敏陶瓷具有特定的压敏电压存在无法实现一个压敏陶瓷对多个不同电压要求的元件的保护的问题，本发明提供一种多点电极氧化锌压敏陶瓷的制备方法及电化学试验，通过制备方法得到多点电极氧化锌压敏陶瓷，并根据接陶瓷表面上不同的点电极，可以实现具有一定范围的压敏电压的压敏陶瓷，适用范围广。
4.本发明是通过以下技术方案来实现：
5.一种多点电极氧化锌压敏陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
6.配料：获取制备氧化锌压敏陶瓷所需配料，并进行称取；
7.球磨：将称量好的氧化锌压敏陶瓷所需配料、超纯水和锆球按比例放入球磨罐中，在行星式球磨机中进行球磨；
8.烘干、研磨、造粒：将球磨好的混合浆料放入电热鼓风干燥箱中，待水分被烘干后，将混料置于研钵中研磨成粉，再加入粉体质量为4％的pva溶液后，放入行星球磨机中进行球磨，然后把混料放入电热鼓风干燥箱中进行烘干，再将烘干后的粉料进行造粒；
9.干压成型、排胶：使用液压机与磨具，在液压的作用下将粉料干压圆形生坯，并将圆形生胚放入箱式炉中进行排胶得到样品；
10.烧结：将样品在箱式炉内进行烧结得到陶瓷片，并对陶瓷片打磨抛光后进行热腐蚀得到氧化锌压敏陶瓷；
11.多点电极：在氧化锌压敏陶瓷的上极板和下极板上分别布置若干点电极，并对上极板和下极板的若干点电极分别进行接线。
12.优选的，称量好的氧化锌压敏陶瓷所需配料、超纯水和锆球按照1:2:2的比例，在行星式球磨机中进行球磨。
13.进一步的，球磨时间为3
‑
5小时，旋转周期为30
‑
60min。
14.优选的，球磨好的混合浆料放置在电热鼓风干燥箱在100℃下保温5h以上进行烘干作业。
15.优选的，烘干后的粉料通过筛网进行造粒，其中筛网目数范围为：40～120目。
16.优选的，氧化锌压敏陶瓷的下极板中的一个点电极分别与上极板中若干点电极之间的间距距离表示不同的压敏电压大小，其中间距距离越大，压敏电压越大。
17.一种多点电极氧化锌压敏陶瓷，由上述所述的多点电极氧化锌压敏陶瓷的制备方法的得到。
18.一种电化学试验，具体包括如下步骤：
19.采用数字源表电极对上述所述的多点电极氧化锌压敏陶瓷的下极板中的一个点电极分别与上极板中若干点电极进行组接，并在室温下检测多点电极氧化锌压敏陶瓷的电压
‑
电流数据，得到多点电极氧化锌压敏陶瓷的压敏电压变化的试验结果。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
21.本发明提供了一种多点电极氧化锌压敏陶瓷的制备方法，通过该方法得到多点电极氧化锌压敏陶瓷，所设计的多点电极氧化锌压敏陶瓷，通过接陶瓷上极板和下极板表面上不同的点电极，可以实现具有一定范围的压敏电压的压敏陶瓷，适用范围广。本发明中得到的多点电极氧化锌压敏陶瓷使得一个氧化锌压敏陶瓷可同时具备多个压敏电压下的高响应特性，起到同时对多个电路的有效保护；多点电极氧化锌压敏陶瓷大大节约了压敏陶瓷的制作成本，具有很好的经济效益；本发明原理简单，安全性高，便于生产、推广和大范围使用。
附图说明
22.图1为本发明中氧化锌压敏陶瓷的多点电极示意图；
23.图2为本发明中多点电极氧化锌压敏陶瓷的上极板点电极及接线示意图；
24.图3为本发明中多点电极氧化锌压敏陶瓷的下极板点电极及接线示意图；
25.图4为本发明中多点电极氧化锌压敏陶瓷sem图；
26.图5为本发明中多点电极氧化锌压敏陶瓷的电极间距离示意图；
27.图6为本发明实施例1中2点电极氧化锌压敏陶瓷的下极板点电极及接线示意图；
28.图7为本发明实施例1中2点电极氧化锌压敏陶瓷的上极板点电极及接线示意图；
29.图8为本发明实施例1中不同点电极组接u
‑
i图；
30.图9为本发明实施例2中3点电极氧化锌压敏陶瓷的下极板点电极及接线示意图；
31.图10为本发明实施例2中3点电极氧化锌压敏陶瓷的上极板点电极及接线示意图；
32.图11为本发明实施例2中不同点电极组接u
‑
i图；
33.图12为本发明实施例3中5点电极氧化锌压敏陶瓷的下极板点电极及接线示意图；
34.图13为本发明实施例3中5点电极氧化锌压敏陶瓷的上极板点电极及接线示意图；
35.图14为本发明实施例3中不同点电极组接u
‑
i图。
具体实施方式
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的
附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
39.本发明采用传统的固热烧结法制备氧化锌压敏陶瓷，其制备工艺和测试测试流程主要有配料
→
球磨
→
烘干
→
研磨
→
造粒
→
干压成型
→
排胶
→
烧结
→
多点电极银
→
电学性能测试。下面对样品制备和电极设计步骤进行必要的说明：
40.本发明提供了一种多点电极氧化锌压敏陶瓷的制备方法，通过制备方法得到多点电极氧化锌压敏陶瓷，并根据接陶瓷表面上不同的点电极，可以实现具有一定范围的压敏电压的压敏陶瓷，适用范围广。
41.具体的，该制备方法，包括如下步骤：
42.配料：获取制备氧化锌压敏陶瓷所需配料，并进行称取；
43.球磨：将称量好的氧化锌压敏陶瓷所需配料、超纯水和锆球按比例放入球磨罐中，在行星式球磨机中进行球磨；
44.烘干、研磨、造粒：将球磨好的混合浆料放入电热鼓风干燥箱中，待水分被烘干后，将混料置于研钵中研磨成粉，再加入粉体质量为4％的pva溶液后，放入行星球磨机中进行球磨，然后把混料放入电热鼓风干燥箱中进行烘干，再将烘干后的粉料进行造粒；
45.干压成型、排胶：使用液压机与磨具，在液压的作用下将粉料干压圆形生坯，并将圆形生胚放入箱式炉中进行排胶得到样品；
46.烧结：将样品在箱式炉内进行烧结得到陶瓷片，并对陶瓷片打磨抛光后进行热腐蚀得到氧化锌压敏陶瓷；
47.多点电极：在氧化锌压敏陶瓷的上极板布置若干点电极和下极板单个点电极，并对上极板电极和下极板的若干点电极分别进行接线，用一定直径的涂银磨具将银浆涂成合适大小的银点电极作为焊接点，接下来用电烙铁将导线与每个焊接点焊接，确保接触良好，安全，如图1、图2和图3所示。
48.具体的，称量好的氧化锌压敏陶瓷所需配料、超纯水和锆球按照1:2:2的比例，在行星式球磨机中进行球磨，球磨时间为3
‑
5小时，旋转周期为30
‑
60min
49.具体的，球磨好的混合浆料放置在电热鼓风干燥箱在100℃下保温5h以上进行烘干作业。
50.具体的，烘干后的粉料通过筛网进行造粒，其中筛网目数范围为：40～120目。
51.具体的，氧化锌压敏陶瓷的下极板中的一个点电极分别与上极板中若干点电极之
间的间距距离表示不同的压敏电压大小，其中间距距离越大，压敏电压越大。
52.根据图2和图3所示，本发明中一种多点电极氧化锌压敏陶瓷，由上述所述的多点电极氧化锌压敏陶瓷的制备方法的得到。
53.本发明提供的一种电化学试验，具体包括如下步骤：
54.采用数字源表电极对上述所述的多点电极氧化锌压敏陶瓷的下极板中的一个点电极分别与上极板中若干点电极进行组接，并在室温下检测多点电极氧化锌压敏陶瓷的电压
‑
电流数据，得到多点电极氧化锌压敏陶瓷的压敏电压变化的试验结果。
55.参见图4，一般具有优异非线性且晶粒分布较为均匀的氧化锌压敏陶瓷的sem图，研究发现，氧化锌压敏陶瓷的压敏场强主要受晶界电阻、双肖特基势垒高度和晶粒尺寸的影响，故对于微观结构均匀，非线性系数优异且稳定的压敏陶瓷，可以近似认为其压敏场强沿各个方向变化不大，记为e0，故有：
[0056][0057]
其中，d
min
为上下正对两个点电极的距离，u0为上下正对两个点电极的压敏电压，e0为压敏场强。
[0058]
参见图5所示，多点电极氧化锌压敏陶瓷的上下极板结不同的点电极，压敏场强的方向，即上下两个点电极的连线方向，也随之发生变化。由于选取的样品微观结构均匀，故氧化锌压敏陶瓷的非线性具有一定的稳定性。这样，同一个氧化锌压敏陶瓷可以具有一定压敏电压u
x
(e0d
min
≤u
x
≤e0d
max
)的高响应特性，具有很好的经济效益和应用前景。
[0059]
实施例1
[0060]
样品的制备：
[0061]
配料：使用电子天平称取制造氧化锌压敏陶瓷的配料共15g，包括95.4％molzno、1.8mol％bi2o3、1mol％mno2、1mol％tio2和0.8mol％sb2o3。
[0062]
球磨：将称量好的原料、超纯水和锆球按1:2:2的比例放入球磨罐中，在行星式球磨机中球磨3小时，旋转周期为30min。
[0063]
烘干、研磨、造粒：将球磨好的混合浆料放入电热鼓风干燥箱中，在100℃下保温5h以上，以确保水分完全被烘干。将烘干后的混料置于研钵中研磨成粉，再加入粉体质量为4％的pva溶液两滴，再放入行星球磨机中球磨30min，然后把混浆放入电热鼓风干燥箱中，100℃保温5h以上，再将烘干后的粉料过大于40，小于120目筛造粒。
[0064]
干压成型、排胶：使用液压机与直径为12mm的磨具，在7mpa的液压下将粉料干压成直径为12mm，厚度为1.24mm的圆形生坯。随后将压好的圆形生坯放入箱式炉中，以3℃/min的速率升温至600℃保温5h排胶。
[0065]
烧结：按照样品适宜的烧结制度来设置箱式炉的温度程序。烧结完成后，可通过外观形貌以及在扫描电镜下观察的晶粒的均匀程度，为了获得更好的微观结构形貌，可将陶瓷片打磨抛光，使之表面呈镜面反光效果，再在不低于烧结温度100℃以内进行热腐蚀。
[0066]
多点电极设计：图7为上极板点电极及接线，共分布有2个点电极，即点电极1和点电极2。点电极1与点电极2的距离为2mm，根据几何关系，可以得到电极0
‑
1和0
‑
2的连线距离分别为1.240mm和2.353mm，如表1所示。图6为下极板点电极及接线，共分布有1个点电极即
点电极0。点电极0在下极板的位置与点电极1在上极板的位置相同。首先，用一定直径的涂银磨具将银浆涂成合适大小的银点电极作为焊接点，接下来用电烙铁将导线与每个焊接点焊接，确保接触良好，安全。
[0067]
试验及试验结果
[0068]
用keithley 2410型数字源表电极分别为0
‑
1点电极组接、0
‑
2点电极组接。在室温下测试样品的电压
‑
电流数据结果如表1所示，电压
‑
电流(u
‑
i)特性曲线如图8所示。
[0069]
表1是点电极连接方式对应的上下点电极连线距离d，压敏电压理论值u
1ma
和实际值u
′
1ma
以及非线性系数。其中非线性系数(其中u
1ma
和u
0.1ma
分别为电流为1ma和0.1ma时对应的电压值。)
[0070][0071]
表1点电极连接方式对应的上下点电极连线距离d，压敏电压理论值u
1ma
和实际值u
′
1ma
以及非线性系数
[0072]
由图8所示，氧化锌压敏陶瓷的压敏电压随着上下极板点电极连线的距离增大而增大，并且3组接法氧化锌压敏陶瓷均呈现较好的非线性，从表1可以得到，在误差允许的范围内，试验与理论分析较为吻合，即同一个氧化锌压敏陶瓷可以具有一定压敏电压u
x
＝e0d
x
(e0d
min
≤u
x
≤e0d
max
)，其中d
x
为上下极板点电极连线距离。
[0073]
实施例2
[0074]
样品的制备：
[0075]
配料：使用电子天平称取制造氧化锌压敏陶瓷的配料共15g，包括95.4％molzno、1.8mol％bi2o3、1mol％mno2、1mol％sio2和0.8mol％sb2o3。
[0076]
球磨：将称量好的原料、超纯水和锆球按1:2:2的比例放入球磨罐中，在行星式球磨机中球磨3小时，旋转周期为30min。
[0077]
烘干、研磨、造粒：将球磨好的混合浆料放入电热鼓风干燥箱中，在100℃下保温5h以上，以确保水分完全被烘干。将烘干后的混料置于研钵中研磨成粉，再加入粉体质量为4％的pva溶液两滴，再放入行星球磨机中球磨30min，然后把混浆放入电热鼓风干燥箱中，100℃保温5h以上，再将烘干后的粉料过大于40，小于120目筛造粒。
[0078]
干压成型、排胶：使用液压机与直径为12mm的磨具，在7mpa的液压下将粉料干压成直径为12mm，厚度为1.24mm的圆形生坯。随后将压好的圆形生坯放入箱式炉中，以3℃/min的速率升温至600℃保温5h排胶。
[0079]
烧结：按照样品适宜的烧结制度来设置箱式炉的温度程序。烧结完成后，可通过外观形貌以及在扫描电镜下观察的晶粒的均匀程度，为了获得更好的微观结构形貌，可将陶瓷片打磨抛光，使之表面呈镜面反光效果，再在不低于烧结温度100℃以内进行热腐蚀。
[0080]
多点电极设计：图10为上极板点电极及接线，共分布有3个点电极，即点电极1、点电极2和点电极3。点电极1与点电极2和3的距离分别为1.22mm和1.85mm，根据几何关系，可
以得到电极0
‑
1、0
‑
2和0
‑
3的连线距离分别为1.24mm、1.74mm和2.23mm，如表2所示。图9为下极板点电极及接线，共分布有1个点电极即点电极0。点电极0在下极板的位置与点电极1在上极板的位置相同。首先，用一定直径的涂银磨具将银浆涂成合适大小的银点电极作为焊接点，接下来用电烙铁将导线与每个焊接点焊接，确保接触良好，安全。
[0081]
用keithley2410型数字源表电极分别为0
‑
1点电极组接、0
‑
2点电极组接、0
‑
3点电极组接。在室温下测试样品的电压
‑
电流数据结果如表2所示，电压
‑
电流(u
‑
i)特性曲线如图11所示。
[0082]
表2是点电极连接方式对应的上下点电极连线距离d，压敏电压理论值u
1ma
和实际值u
′
1ma
以及非线性系数。其中非线性系数(其中u
1ma
和u
0.1ma
分别为电流为1ma和0.1ma时对应的电压值。)
[0083][0084]
表2是点电极连接方式对应的上下点电极连线距离d，压敏电压理论值u
1ma
和实际值u
′
1ma
以及非线性系数
[0085]
根据图10所示，氧化锌压敏陶瓷的压敏电压随着上下极板点电极连线的距离增大而增大，并且3组接法氧化锌压敏陶瓷均呈现较好的非线性，从表2可以得到，在误差允许的范围内，试验与理论分析较为吻合，即同一个氧化锌压敏陶瓷可以具有一定压敏电压u
x
＝e0d
x
(e0d
min
≤u
x
≤e0d
max
)，其中d
x
为上下极板点电极连线距离。
[0086]
实施例3
[0087]
样品的制备：
[0088]
配料：使用电子天平称取制造氧化锌压敏陶瓷的配料共15g，包括95.4％molzno、1.8mol％bi2o3、1mol％mno2、1mol％sio2和0.8mol％sb2o3。
[0089]
球磨：将称量好的原料、超纯水和锆球按1:2:2的比例放入球磨罐中，在行星式球磨机中球磨3小时，旋转周期为30min。
[0090]
烘干、研磨、造粒：将球磨好的混合浆料放入电热鼓风干燥箱中，在100℃下保温5h以上，以确保水分完全被烘干。将烘干后的混料置于研钵中研磨成粉，再加入粉体质量为4％的pva溶液两滴，再放入行星球磨机中球磨30min，然后把混浆放入电热鼓风干燥箱中，100℃保温5h以上，再将烘干后的粉料过大于40，小于120目筛造粒。
[0091]
干压成型、排胶：使用液压机与直径为12mm的磨具，在7mpa的液压下将粉料干压成直径为12mm，厚度为1.24mm的圆形生坯。随后将压好的圆形生坯放入箱式炉中，以3℃/min的速率升温至600℃保温5h排胶。
[0092]
烧结：按照样品适宜的烧结制度来设置箱式炉的温度程序。烧结完成后，可通过外观形貌以及在扫描电镜下观察的晶粒的均匀程度，为了获得更好的微观结构形貌，可将陶瓷片打磨抛光，使之表面呈镜面反光效果，再在不低于烧结温度100℃以内进行热腐蚀。
[0093]
多点电极设计：图13为上极板点电极及接线，共分布有5个点电极，即点电极1、点电极2、点电极3、点电极4和点电极5。点电极1与点电极2、3、4和5的距离分别为1.4mm、2.8mm、4.2mm和5.6mm，根据几何关系，可以得到电极0
‑
1、0
‑
2、0
‑
3、0
‑
4和0
‑
5的连线距离分别为1.24mm、1.87mm、3.06mm、4.38和5.74mm，如表3所示。图12为下极板点电极及接线，共分布有1个点电极即点电极0。点电极0在下极板的位置与点电极1在上极板的位置相同。首先，用一定直径的涂银磨具将银浆涂成合适大小的银点电极作为焊接点，接下来用电烙铁将导线与每个焊接点焊接，确保接触良好，安全。
[0094]
试验及试验结果
[0095]
用keithley2410型数字源表电极分别为0
‑
1点电极组接、0
‑
2点电极组接、0
‑
3点电极组接、0
‑
4点电极组接和0
‑
5点电极组接。在室温下测试样品的电压
‑
电流数据结果如表3，电压
‑
电流(u
‑
i)特性曲线如图14所示。
[0096]
表3是点电极连接方式对应的上下点电极连线距离d，压敏电压理论值u
1ma
和实际值u
′
1ma
以及非线性系数。其中非线性系数(其中u
1ma
和i
0.1ma
分别为电流为1ma和0.1ma时对应的电压值。)
[0097][0098]
表3点电极连接方式对应的上下点电极连线距离d，压敏电压理论值u
1ma
和实际值u
′
1ma
以及非线性系数根据图14所示，氧化锌压敏陶瓷的压敏电压随着上下极板点电极连线的距离增大而增大，并且5组接法氧化锌压敏陶瓷均呈现较好的非线性，从表3可以得到，在误差允许的范围内，实验与理论分析较为吻合，即同一个氧化锌压敏陶瓷可以具有一定压敏电压u
x
＝e0d
x
(e0d
min
≤u
x
≤e0d
max
)，其中d
x
为上下极板点电极连线距离。
[0099]
综上所述，本发明提供了一种多点电极氧化锌压敏陶瓷的制备方法，通过该方法得到多点电极氧化锌压敏陶瓷，所设计的多点电极氧化锌压敏陶瓷，通过接陶瓷上极板和下极板表面上不同的点电极，可以实现具有一定范围的压敏电压的压敏陶瓷，适用范围广。本发明中得到的多点电极氧化锌压敏陶瓷使得一个氧化锌压敏陶瓷可同时具备多个压敏电压下的高响应特性，起到同时对多个电路的有效保护；多点电极氧化锌压敏陶瓷大大节约了压敏陶瓷的制作成本，具有很好的经济效益；本发明原理简单，安全性高，便于生产、推广和大范围使用。
[0100]
同时通过对多点电极氧化锌压敏陶瓷的电化学试验，得到同一个氧化锌压敏陶瓷可以具有一定压敏电压u
x
(e0d
min
≤u
x
≤e0d
max
)的高响应特性，具有很好的经济效益和应用前景的试验结果。
[0101]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽
管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。