專利名稱:一種鈦酸鋇基ptc熱敏陶瓷粉體及其制備方法和應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體及其制備方法,具體涉及溶膠-凝膠 法一步制備的鈦酸鋇基正溫度系數(shù)(Positive Temperature Coefficient, PTC)熱敏粉料 及其陶瓷的制備方法。
背景技術(shù):
鈦酸鋇基PTC熱敏電阻陶瓷以其相對低廉的成本、較高的機械強度、優(yōu)異的抗老 化性能以及顯著的PTC效應,在工業(yè)及民用的各類保護電路、加熱元件中得到了廣泛的應 用。近年來,低壓直流加熱器件由于其安全性高,適用范圍廣,成本低廉,便于攜帶,在日常 生活中得到了廣泛的應用。如CN200820162925. 6提供的USB加熱杯,CN99219137. 8提供 的便攜式交直流電暖馬桶墊,CN200810082151. 0提供的電熱鞋襯墊等,均采用低壓PTC熱 敏陶瓷元件加熱。然而目前PTC熱敏陶瓷主要采用傳統(tǒng)高溫固相法合成,其對原料純度要求較高, 燒結(jié)溫度較高,導致陶瓷的室溫電阻率居高不下,從而無法在低壓電路中使用。同時,由于 固相法制備的粉體均勻性較差,成品率低,導致陶瓷的居里溫度難以精確控制??朔滔喾ㄈ毕莸耐緩街?,是采用濕化學法,如草酸鹽沉淀法、溶膠_凝膠法 等。這些方法由于在液相體系中反應,避免了固相法混合不均勻的缺陷,各組分精確摻雜, 可以得到性能更好,可靠性更高的陶瓷。其中溶膠-凝膠法(Sol-Gel)是以金屬醇鹽或無 機鹽為原料,經(jīng)水解、縮合,使溶液形成溶膠,然后使溶膠凝膠化,經(jīng)干燥和熱處理得到粉體 的一種方法。這種方法的突出優(yōu)點是化學均勻性好,純度高,顆粒細,反應溫度低,燒結(jié)活性 較好,制備過程不需要過濾洗滌,工藝簡單,配方容易控制,最終得到的陶瓷居里溫度可控, 且室溫電阻率較低。因此,該方法作為生產(chǎn)PTC熱敏陶瓷材料具有較好的發(fā)展前景。低壓PTC加熱片的用途之一是制備低壓直流醫(yī)用輸液恒溫器。目前的輸液恒溫器 多采用固相法合成的PTC熱敏陶瓷,其電阻率較高,因此工作電壓多為220V,一方面存在能 源浪費,不利于節(jié)能減排;另一方面在醫(yī)用領(lǐng)域也存在安全隱患。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的之一在于提供一種粉體均勻性好,純度高、居里溫度可控且制成的PTC 陶瓷芯片成品率較高的鈦酸鋇基PTC熱敏電阻陶瓷粉體。本發(fā)明另一個目的在于針對傳統(tǒng)固相法合成的鈦酸鋇基PTC熱敏電阻陶瓷粉體 粒徑大、燒結(jié)溫度高各組分混合不均勻、成品率低等缺點,提供一種溶膠_凝膠法一步合成 上述鈦酸鋇基PTC熱敏電阻陶瓷粉體,進而制備得到鈦酸鋇基PTC納米陶瓷。本發(fā)明的實現(xiàn)過程如下通式BalHzPbxSryCazTic^aYOvJbMnOJcSiO2所示的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉 體,其中 X = 0 0. 20,y = 0 0. 20,Z = 0. 10 0. 20,a = 0 0. 01,b = 0. 00010 0. 00050,c = 0. 10 0. 2。
優(yōu)選的技術(shù)方案為x= 0 0. 13,y = 0 0. 13,ζ = 0. 10 0. 12,a = 0 0. 01,b = 0. 00010 0. 00035,c = 0. 10 0. 15。當x = 0. 13,y = 0時,得到高居里溫度加熱片;χ = 0,y = 0. 13時,得到低居里 溫度加熱片。鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體的制備方法,包括以下步驟(1)按計量比將鈦酸丁酯、冰醋酸和正硅酸乙酯混合均勻,醋酸與鈦酸丁酯的質(zhì)量 比為(0.8 1) (1 1);(2)上述溶液與鋇、鈣、錳、釔、鍶、鉛金屬鹽的水溶液混合攪拌得到淺黃色透明溶 膠,所述的鋇、鍶、鈣、鉛、釔、錳金屬鹽以硝酸鹽或醋酸鹽的形式加入;(3)將溶膠攪拌至凝膠化,靜置陳化,30 90°C烘干凝膠,50 100°C干燥得干凝 膠粉;(4)在800 1200°C下煅燒0. 5 8. 0小時得鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體。上述制備的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體經(jīng)造粒、壓片,在1200 1350°C燒結(jié) 0. 5 8. 0小時得到鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷。本發(fā)明制備得到的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷可應用于輸液恒溫器中,所述輸液恒溫 器結(jié)構(gòu)為設(shè)置有輸液槽的基板(1)內(nèi)嵌入有并聯(lián)的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷片(5)、(6),加 熱片(5)、(6)與直流電源或電池相連;其中(5)為高居里溫度加熱片,(6)為低居里溫度加 熱片。本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果1、由于溶膠_凝膠一步法合成的陶瓷其組成均勻,居里溫度可控,且室溫電阻率 較低,因此制得的PTC陶瓷加熱芯片成品率高,并且可以采用IOV直流電作為加熱電源,安
全可靠;2、鈦酸鋇基前驅(qū)體是在溶液中形成,各種組分可實現(xiàn)分子、原子尺度水平上的混 合,因此煅燒出的粉體化學均勻性好,純度高,鈦鋇比和摻雜量易于控制,燒成陶瓷的晶粒 尺寸分布窄,PTC性能較固相法高;3、鈦酸鋇主料、摻雜組份以及助燒成分均采用溶膠_凝膠法一步加入,以避免主 料與添加劑等進行二次混合時造成成份混合不均勻,以及摻混進新的雜質(zhì)等問題;4、由溶膠_凝膠法生產(chǎn)的PTC粉體,顆粒尺寸小,化學成分均勻,燒結(jié)活性高;5、本發(fā)明原料易得,設(shè)備簡單,不用洗滌和過濾,工藝簡潔,成本低廉,易于工業(yè)化 生產(chǎn);所述方法在制備過程中使用水、醋酸作為溶劑,生產(chǎn)安全,操作環(huán)境要求簡單;6、采用高、低兩種居里溫度PTC陶瓷片并聯(lián),采用先預加熱后熱平衡的方式對輸 液管進行加熱,提高了輸液恒溫器的安全性和溫度穩(wěn)定性。
圖1為實施例1中1#、3#、6#樣XRD圖;圖2為實施例中1# 6#陶瓷的阻溫特性曲線圖;圖3為輸液恒溫器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實例與附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述,本發(fā)明不局限于實例。實施例1 制備化學組成為^ammPbxSivCac^TiOsO. OOlYO372O. 00015Mn020. 15Si02 的陶瓷 粉體,固定 Ca、Mn、Y、Ti、Si 含量,χ 和 y 依次為 0、0· 13 (1# 樣);0、0· 08 (2# 樣);0、0· 03 (3# 樣);0.03、0(4#樣);0.08,、0(5#樣);O. 13、0 (6# 樣)。以下以χ為O和y為0. 13 (1#樣)為例,采用溶膠-凝膠法合成鈦酸鋇基PTC陶 瓷納米粉體,具體步驟如下(1)按化學計量比稱取鈦酸四丁酯69. 2234g,加入60ml的冰醋酸及0. 1499mol/L 硅酸乙酯的乙醇溶液20mL,充分攪拌;(2)按照化學計量比稱量硝酸鍶5. 5024g,醋酸鋇38. 3607g,加入1. OOlmol/L醋酸 鈣溶液24mL、0. 01305mol/L硝酸錳溶液2. 4mL、0. 0500mol/L醋酸釔溶液4mL,再加入二次水 58. 6mL,與步驟⑴溶液混合攪拌,室溫反應2小時,得到淺黃色透明溶膠;(3)充分攪拌上述溶膠得到均勻透明的鈦酸鋇基前驅(qū)體凝膠,隔夜靜置,50°C烘干 凝膠,70°C干燥得干凝膠粉;(4) 850°C下煅燒2小時得鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體。上述粉體經(jīng)造粒、壓片在1270°C燒結(jié)80分鐘,得到陶瓷圓片;陶瓷圓片經(jīng)兩面涂 覆鋁漿后于560°C保溫20min燒成金屬電極。由圖1的XRD圖可見,通過1270°C燒結(jié)的陶瓷主要由四方相鈦酸鋇組成,同時隨 著Pb和Sr含量的改變,還有少量Pb/SrTi03衍射峰。1# 6#陶瓷的阻溫特性曲線見圖2。 1# 6#陶瓷的PTC性能參數(shù)見表1,從表1可以看出,通過本方法合成的PTC熱敏陶瓷,其 居里溫度在理論計算范圍內(nèi),精確可控。表1實施例中1#到6#陶瓷的PTC陶瓷性能 實施例2:依照實施例1所述方法制備得到組成如下的陶瓷粉體Ba0 64Pb0 12Sr0 12Ca0 12Ti030 . 00 5Υ03/20. 00035Μη020· 15Si02Ba0 57Pb0 18Sr0 10Ca0 15Ti030 . 006Y03/20. 00025Mn020. 13Si02實施例3利用實施例1制備的PTC熱敏電阻為加熱片設(shè)計的輸液恒溫器圖3為輸液恒溫器結(jié)構(gòu)示意圖。在圖中包括⑴恒溫器基板,⑵輸液管,⑶包覆在基板上的保溫材料,(4)直流穩(wěn)壓電源,(5)低居里溫度加熱片,(6)高居里溫度加熱片。利用鈦酸鋇基PTC陶瓷的電阻-溫度特性,即在居里溫度以下電阻率較低,而居里 溫度附近電阻率急劇上升的特性,將高居里溫度(如180°C )和低居里溫度(如80°C )加 熱片并聯(lián),較高居里溫度的加熱片在前,低居里溫度加熱片在后。加熱時,輸液管先流經(jīng)較 高居里溫度的加熱片,其藥液在短時間內(nèi)被加熱到較低溫度(約20°C ),隨后流經(jīng)較低居里 溫度加熱片進行溫度平衡,從而使終端溫度穩(wěn)定在30°C左右。由于PTC熱敏陶瓷芯片的PTC性質(zhì),決定了其工作溫度在某一平衡溫度上下波動, 而兩片PTC熱敏陶瓷芯片并聯(lián)的優(yōu)點有三,一方面大大減小了輸液恒溫器終端的溫度波 動;第二,兩塊加熱芯片提高了輸液恒溫器的可靠性;第三,由于兩塊加熱片共同加熱,其 單個加熱片的面積不必做得很大,從而減小熱量散失,提高加熱效率。在該結(jié)構(gòu)中,考慮到輸液管的不同溫度,可以通過調(diào)整恒溫器和輸液管輸出端之 間距離,來控制輸液管末端的輸出溫度。實驗以鋁片為傳熱材質(zhì),將高居里溫度的PTC加熱陶瓷片與低居里溫度的PTC加 熱陶瓷片并聯(lián),固定在鋁片下,外層包覆保溫材料。實驗條件直流電壓10. 06V,電流0. 5A,流速1滴/秒,加熱器與輸液終端的距離 20cmo實驗結(jié)果表2不同環(huán)境模擬加熱實驗
權(quán)利要求
通式Ba1-x-y-zPbxSryCazTiO3+aYO3/2+bMnO2+cSiO2所示的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體,其中x=0~0.20,y=0~0.20,z=0.10~0.20,a=0~0.01,b=0.00010~0.00050,c=0.10~0.2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體,其特征在于X= 0 0. 13,y = 0 0. 13,ζ = 0. 10 0. 12,a = 0 0. 01,b = 0. 00010 0. 00035,c = 0. 10 0. 15。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體,其特征在于當x= 0. 13,y = 0時,得到高居里溫度加熱片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體,其特征在于當x= 0,y = 0. 13 時,得到低居里溫度加熱片。
5.權(quán)利要求1所述的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體的制備方法,包括以下步驟(1)按計量比將鈦酸丁酯、冰醋酸和正硅酸乙酯混合均勻,醋酸與鈦酸丁酯的質(zhì)量比為 (0. 8 1) (1 1);(2)上述溶液與鋇、鈣、錳、釔、鍶、鉛金屬鹽的水溶液混合攪拌得到淺黃色透明溶膠;(3)將溶膠攪拌至凝膠化,靜置陳化,30 90°C烘干凝膠,50 100°C干燥得干凝膠粉;(4)在800 1200°C下煅燒0.5 8. 0小時得鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體的制備方法,其特征在于所述 的鋇、鍶、鈣、鉛、釔、錳金屬鹽以硝酸鹽或醋酸鹽的形式加入。
7.一種鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷,其特征在于使用權(quán)利要求1至4任意之一所述的鈦酸 鋇基PTC熱敏陶瓷粉體經(jīng)造粒、壓片,在1200 1350°C燒結(jié)0. 5 8. 0小時得到。
8.權(quán)利要求7所述的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷在輸液恒溫器中的應用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用途,其特征在于設(shè)置有輸液槽的基板(1)內(nèi)嵌入有并聯(lián) 的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷片(5)、(6),加熱片(5)、(6)與直流電源或電池相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用途,其特征在于其中(5)為高居里溫度加熱片,(6)為低 居里溫度加熱片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體及其制備方法。本發(fā)明的實現(xiàn)過程如下通式Ba1-x-y-zPbxSryCazTiO3+aYO3/2+bMnO2+cSiO2所示的鈦酸鋇基PTC熱敏陶瓷粉體,其中x為0~0.20,y為0~0.20,z為0.10~0.20,a為0~0.01,b為0.00010~0.00050,c為0.10~0.2。本發(fā)明用溶膠-凝膠法一步合成組成均勻,居里溫度可控,且室溫電阻率較低的陶瓷,制得的PTC陶瓷加熱芯片成品率高,可采用10V直流電作為加熱電源,安全可靠。
文檔編號A61M5/44GK101838142SQ20101018199
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者崔斌, 張昊, 暢柱國 申請人:西北大學