[发明专利]一种线性负温度系数热敏电阻材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种线性负温度系数热敏电阻材料。该材料以氧化石墨烯及锰钴镍体系过渡金属氧化物作为基础材料，掺杂尿素、三聚氰胺、双氰胺、硫脲、硼酸或硼氢化钠，采用水热合成得到具有线性负温度系数热敏电阻材料，该材料具有明显的NTC性能，且其电阻值随温度的变化呈现出明显的线性关系。制备步骤简单，过程安全，成本低廉，性能稳定，易于向产业化领域推广。该材料克服了现有非线性热敏电阻器件在应用过程中需对电路部分进行繁杂的设计而实现电学参数由非线性补偿为线性的过程，且相比于仅仅进行掺杂改性得到的线性负温度系数热敏电阻材料具有更大的TCR值，在温度传感领域，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种线性负温度系数热敏电阻材料及其制备方法。

背景技术

在现代社会的生产和生活中，温度精准测控的重要性不言而喻。由于NTC热敏电阻具有稳定性好、灵敏度高、生产工艺简单、成本低等特点，是目前最常用的测温元件。大部分NTC热敏电阻由Mn、Co、Ni等组成的过渡金属复合氧化物为材料体系，其电阻-温度特性是非线性的，在实际使用时，首先需要将其与一般电阻串并联进行补偿使其线性化，使它在某一温度范围内的阻-温特性呈线性。这种处理过程不仅增加了电路的复杂性，而且会出现工作温区变窄的问题。为了扩大线性温区范围，工程人员一般需要使用多个热敏电阻与“多元线化器”组成一个复杂的线性网络去实现，这就使得电路更加繁杂。

为了进一步解决现有的问题，研究人员开展了线性热敏电阻的研发设计工作。用于控温时，由于线性热敏电阻每个控制点的灵敏度相同，不需作比例调整；用于温度补偿时，线性热敏电阻与被补偿元件作用一样，可以满足大范围补偿；用于测温时，线性热敏电阻的测量结果对照分度表便可使表盘刻度均匀，大大减少了工艺的复杂性和可靠性。

石墨烯材料近年来被发现具有良好的NTC热敏特性，其电阻值会随着温度的升高而降低[1]。这主要取决于石墨烯材料内部载流子的热激发。当石墨烯处于温度较高的环境中时，材料内部热能增加，载流子从石墨烯薄片到薄片的有限跳变和相邻还原氧化石墨烯薄片之间的载流子隧穿迁移增加，这是因为载流子克服势垒的可能性更高，因此，材料内部载流子的迁移率显著增加，从而使材料获得较小的电阻值。反之，当石墨烯材料处于温度较低的环境中时，内部载流子迁移率变低，从而导致材料的电阻值变大。通常，研究人员通过对石墨烯表面官能团进行化学修饰的方法调控石墨烯的电学性能，这其中杂原子掺杂是调节石墨烯电子结构的有效方法之一。然而研究发现，尽管对石墨烯材料进行改性的确可以获得线性度较高的NTC热敏材料，但材料的电阻温度系数(TCR)却依旧过低，因此限制了材料在温度检测领域的大范围使用。

参考文献：

[1]孔雯雯,朱建朋,陈龙,常爱民.一种硼、氮、硫三元掺杂的还原氧化石墨烯材料的制备方法[P].202111343276.6,2021-11-13.

基于此，本发明提出采用水热方法将具有高线性度的石墨烯材料与具有高灵敏度的过渡金属氧化物材料进行复合，利用复合材料的鸡尾酒效应和协同效应，获得一种TCR值较高的线性NTC热敏电阻材料。该方法工艺简单，成本低廉，适合大规模生产。

发明内容

本发明目的在于，提供一种线性负温度系数热敏电阻材料及其制备方法，该材料以氧化石墨烯及过渡金属氧化物粉体作为基础材料，以尿素、三聚氰胺、双氰胺、硫脲、硼酸、硼氢化钠作为掺杂剂，通过水热的合成，将掺杂剂加入去离子水后配置成溶液，之后加入氧化石墨烯粉末，将搅拌处理后得到的溶液与、过渡金属氧化物粉体混合后置于水热合成反应釜内进行水热处理，从而得到金属氧化物与掺杂后石墨烯的线性负温度系数热敏电阻材料。步骤简单，实验操作安全，制备成本低廉但材料性能优越，合成的线性负温度系数热敏电阻材料展现出更低的电阻值。当将线性负温度系数热敏电阻材料应用于温度传感领域时，其温阻关系呈现为明显的线性关系，且具有更大的TCR值。可广泛用于温度传感领域。