[发明专利]一种低温烧结叠层片式钛酸钡热敏陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子陶瓷元件制备技术领域，涉及一种低温烧结叠层片式钛酸钡热敏陶瓷的制备方法，具体是利用溶胶凝胶法制备纳米钛酸钡粉体，再利用该纳米粉体通过还原再氧化工艺制备叠层片式细晶钛酸钡热敏陶瓷。 

背景技术

随着现代电子技术的进步，继片式阻容元件之后，各类敏感元件的片式化也在迅速发展。在电子机器的小型化、低功耗化以及高密度组装技术等的驱使下，片式热敏元件，特别是过载保护用钛酸钡基多层片式PTC陶瓷热敏电阻元件的应用需求急剧增加。多层片式PTC陶瓷热敏电阻主要在电子电路、电子机器、晶体振荡器及液晶显示器中用作温度补偿、浪涌吸收；对IC器件、锂电池、开关电源及汽车电机等的过热过电流保护等。在移动通信、蓝牙技术、高清晰度彩电、局域网、计算机、汽车电子等方面都有广阔的应用市场。经过多年的探索和技术进步，目前片式PTC陶瓷热敏元件多采用类似于多层片式陶瓷电容（MLCC）的独石结构，具有体积小、室温电阻低、通流量大等优点。 

PTC陶瓷热敏元件导电的物理机制是晶粒和晶界的共同作用，晶粒的半导体化决定了材料的电阻率，而晶界上存在的势垒层则决定了材料的PTC特性。为保证获得尺寸小以及室温电阻低的多层片式PTC陶瓷热敏元件，必须首先制备尽可能薄的瓷片。当瓷片厚度一定的前提下，如果晶粒尺寸过大（常规块状PTC元件的平均晶粒尺寸约在5～10μm左右）每层瓷片中晶粒个数必然很少，结果将会降低甚至失去PTC效应。相反若保证晶粒个数，必须减小晶粒尺寸，但晶粒尺寸的减小则会显著增大材料电阻率。研究表明，同样组分的PTC材料，如果晶粒尺寸10μm时的室温电阻 率为50Ω·cm，当通过控制烧成温度使晶粒尺寸下降到2μm时，其室温电阻率将猛增到5000Ω·cm，增大了近百倍。显而易见，与常规块状PTC材料相比，片式PTC热敏元件用陶瓷材料降低电阻率与瓷体的细晶化（提高PTC效应）成了一对十分难解的矛盾。 

BaTiO₃基PTC陶瓷热敏元件的烧结温度较高，一般在1320℃以上，这给陶瓷与金属内电极共烧带来极大困难，为了避免金属内电极氧化必须在还原气氛中共烧。但是经典理论和实验均证明BaTiO₃基PTC陶瓷在还原气氛下烧结不具有PTC效应。为了获得优良的PTC效应，还必须在氧化或空气中于较低温度下进行热处理，对陶瓷晶界进行氧化，即采用还原再氧化的工艺。此外，在共烧过程中瓷料与电极都会产生很大收缩，如果瓷体和内电极的收缩匹配不好，将会导致元件破裂。 

目前的相关专利多采用固相法制备，烧结温度较高，日本的Hirokazu Shimooka和Makoto Kuwabara通过溶胶凝胶方法制备了钛酸钡的单体凝胶，并在1100℃左右烧结得到粒径～1μm，相对密度>98%的致密钛酸钡陶瓷。但该文献没有研究陶瓷的PTC特性，也没有采用还原再氧化工艺。 

发明内容

本发明提出采用溶胶凝胶法制备纳米或亚微米（50～200nm）原料粉体，并在制备粉体的过程中同时引入微量掺杂的纳米半导化元素等，并采用还原再氧化的工艺制备陶瓷元件；目的在于实现分子级微量元素的均匀掺杂，在制备出细晶陶瓷的同时降低材料电阻率，制备得到晶粒细小、室温电阻率低并具有较大升阻比的PTC热敏陶瓷；本发明还可以降低陶瓷的烧结温度，改善陶瓷与电极的收缩匹配性能。 

本发明提供的一种低温烧结叠层片式钛酸钡热敏陶瓷的制备方法，该方法通过溶胶凝胶法制备的掺镧的纳米钛酸钡粉体，经流延成型、切片、排胶，然后通过还原再氧化烧结制得PTC热敏电阻器。 

作为上述技术方案的优化，该方法具体包括下述步骤：