泰宁新闻网

最新一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法

鞋

泰宁新闻网 http://www.tainingxinwen.cn 2020-09-16 15:20 出处:网络
本站介绍的最新一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,小编为大家介绍文章内容

本站介绍的最新一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,小编为大家介绍文章内容

一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法

[0001] 本发明属于材料制备技术领域,具体涉及一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷 材料的制备方法。

[0002] 由于氧化锆陶瓷材料具有独特的化学键及晶体结构,因此在高温、导电、机械以及 光学等领域都有特殊用途,根据用途其大致可以分为结构陶瓷和功能陶瓷两大应用。
[0003] 在结构陶瓷方面,由于其具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性、优异的隔热性能以 及热膨胀系数接近于钢等优点,因而被广泛应用,主要用于Y-TZB磨球、微型风扇轴心、耐 磨刀具以及切割工具等方面。
[0004] 作为功能陶瓷,其具有耐高温、高强度以及敏感性高等优异性能,故广泛应用于诸 如氧传感器、高温发热体以及压电材料等领域。氧化锆因具有氧离子传导性、在高温下导电 性能增强,故可作为能源材料用于制造固体燃料电池;氧化锆目前在光通讯重要元件、光纤 维连接器等领域,以及集成电路基板、电容、电阻等元件的电子领域也被广泛应用;氧化锆 还具备半导体性和敏感特性,可用作半导体材料及氧探测器材料。
[0005] 但是由于纯氧化锆陶瓷在常温下为绝缘体,电阻率高达1013D*cm,现有的研宄表 明掺杂其他物质的氧化锆陶瓷材料导电性仍然不甚理想,这就大大限制了氧化锆陶瓷在常 温导电领域的应用。



[0006] 本发明的目的在于提供一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法, 解决了现有的氧化锆陶瓷难以达到常温导电性的缺点。
[0007] 本发明所采用的技术方案是:一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备 方法,包括以下步骤:
[0008] 步骤一,将称量好的Zr02、Y203、Ti粉末放入混料罐中加入磨球进行混粉处理,混粉 完毕后取出烘干得到混合粉末;
[0009] 步骤二,将步骤一中烘干得到的混合粉末进行造粒压样得到成型样品;
[0010] 步骤三,将步骤二中得到的成型样品进行排胶烧结;
[0011] 步骤四,将步骤三排胶烧结完成的成型样品放入真空炉内进行高温烧结,随炉冷 却后即得钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料。
[0012] 本发明的特点还在于,
[0013] 步骤一中Zr02、Y203、Ti粉末的平均粒径均为5um,Y 2O3粉末占ZrO^v末摩尔分数的 3% -8%,Ti粉末占ZrO2粉末的质量分数为1% -30%,磨球为氧化锆球,磨球质量与ZrO 2、 Y2O3' Ti粉末质量之和相等,混粉时间为8h-12h〇
[0014] 步骤二中将步骤一中烘干得到的混合粉末进行造粒压样得到成型样品具体步骤 为:
[0015] 将混合粉末放入研钵中研磨并混合均匀,一次过筛后加入适当的粘结剂研磨后进 行烘干处理,烘干完成后进行二次过筛,将二次过筛得到的颗粒进行预压破碎后再进行三 次过筛,然后将得到的颗粒通过干压成型制得成型样品,其中,粘结剂为聚乙烯醇溶液,一 次过筛的筛孔大小为100-200目,二次过筛和三次过筛的筛孔大小为20-40目,干压成型时 的成型压强为200MPa-490MPa,保压时间为lmin-3min。
[0016] 步骤一和步骤二中的烘干温度均为50°C -80°C,烘干时间为lh-3h。
[0017] 步骤三排胶烧结时,在(TC _200°C时升温速率为5°C -10°C /min,200°C _550°C时 升温速率为2°C _5°C /min,并在550°C时保温lh-2. 5h。
[0018] 步骤四中高温烧结的烧结温度为1300°C -1500°C,升温速率为5°C -15°C /min,保 温时间为lh_3h。
[0019] 步骤三和步骤四中烧结均使用真空热压烧结炉,并采用真空烧结方式。
[0020] 本发明的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法解决了现有的 氧化锆陶瓷难以达到常温导电性的缺点。本发明的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷 材料的制备方法在ZrO2中掺杂Y2O3,可以在晶格中产生带正电的氧离子空位,Y3+取代了Zr4+ 后,使正电荷减少了+1价,所以在2个Y3+离子周围存在1个氧空位,从而提高了稳定ZrO2 的导电性。ZrO2材料中晶界相主要是由原料中的SiO2等杂质在烧结过程中向晶界偏析而 形成的,致使导电性变差,材料的总电阻因它的出现而增大。尤其是在中低温时,ZrO2基固 体电解质材料的导电性将主要由晶界相控制。提高晶界相的导电性能,可以大幅度地提高 整个材料的导电性能。Ti元素的掺杂,可使Ti元素富集在界位置,在常温下给晶界 处提供可自由移动的电子,使得整个材料的导电性能大幅度提高。

[0021] 图1是本发明的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法制得的 钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的电阻率随Ti含量变化趋势图;
[0022] 图2是本发明的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法制得的 钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的X射线衍射图;
[0023] 图3是本发明的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法制得的 钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的相对密度随Ti含量变化趋势图;
[0024] 图4是本发明的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法制得的 钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的SEM图;
[0025] 图5是本发明的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法制得的 钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的EDS图。

[0026] 下面结合附图和对本发明进行详细说明。
[0027] 实施例1
[0028] 本发明提供的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,以平均粒 径均为5um左右的纯ZrO2J2O3和Ti粉末为原料,制备氧化锆常温半导体陶瓷材料,其中以ZrO2为参照标准,Y203为5mol%,Ti为30wt. %,具体步骤如下:
[0029] 步骤一,称取IOg纯ZrO2粉、0. 9163g纯Y2O3粉,3g纯Ti粉依次装入混料罐中,再 加入直径为8mm的ZrO 2磨球14g (约5颗),在混粉机上混粉10h,混粉完毕后将混合粉末 取出放入烘箱在60°C干燥Ih得到混合粉末;
[0030] 步骤二,将混合粉末放入研钵进行研磨,使用100目标准筛过筛,之后将混合粉末 放入研钵,加入5wt. % PVA溶液,边加边研磨直至均匀后在65°C干燥2h,然后使用20-40目 的标准筛二次过筛,得到均匀颗粒后在200MPa的压强下预压,再研磨,最后利用20-40目的 标准筛三次过筛直至颗粒大小均匀,再用435MPa压强进行干压成型,保压时间为2min,压 制得到# 15mm的圆片;
[0031] 步骤三,将干压成型的圆片放入真空热压烧结炉中进行排胶烧结处理,在 0°C _200°C升温速率为 10°C /min,200-550°C升温速率为 5°C /min,并在 550°C保温 Ih ;
[0032] 步骤四,将排胶完成的圆片在真空热压烧结炉中进行真空高温烧结,在1400°C的 温度进行高温烧结,升温速率为l〇°C /min,保温时间2h,即得到钛钇共掺杂氧化锆常温半 导体陶瓷材料。
[0033] 实施例2
[0034] 本发明提供的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,以平均粒 径均为5um左右的纯ZrO 2J2O3和Ti粉末为原料,制备氧化锆常温半导体陶瓷材料,其中以 ZrO 2为参照标准,Y 203为5mol %,Ti为20wt. %,具体步骤如下:
[0035] 步骤一,称取IOg纯ZrO2粉、0. 9163g纯Y2O3粉,2g纯Ti粉依次装入混料罐中,再 加入直径为8mm的ZrO 2磨球13g (约4颗),在混粉机上混粉10h,混粉完毕后将混合粉末 取出放入烘箱在60°C干燥Ih得到混合粉末;
[0036] 步骤二,将混合粉末放入研钵进行研磨,使用100目标准筛过筛,之后将混合粉末 放入研钵,加入5wt. % PVA溶液,边加边研磨直至均匀后在65°C干燥2h,然后使用20-40目 的标准筛二次过筛,得到均匀颗粒后在200MPa的压强下预压,再研磨,最后利用20-40目的 标准筛三次过筛直至颗粒大小均匀,再用435MPa压强进行干压成型,保压时间为2min,压 制得到# 15mm的圆片;
[0037] 步骤三,将干压成型的圆片放入真空热压烧结炉中进行排胶烧结处理,在 0°C _200°C升温速率为 7°C /min,200-550°C升温速率为 4°C /min,并在 550°C保温 2. 5h ;
[0038] 步骤四,将排胶完成的圆片在真空热压烧结炉中进行真空高温烧结,在1500°C的 温度进行高温烧结,升温速率为15°C /min,保温时间2h,即得到钛钇共掺杂氧化锆常温半 导体陶瓷材料。
[0039] 实施例3
[0040] 本发明提供的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,以平均粒 径均为5um左右的纯ZrO2J2O3和Ti粉末为原料,制备氧化锆常温半导体陶瓷材料,其中以 ZrO2为参照标准,Y 203为8mol %,Ti为20wt. %,具体步骤如下:
[0041] 步骤一,称取IOg纯ZrO2粉、I. 4661g纯Y2O3粉,2g纯Ti粉依次装入混料罐中,再 加入直径为8mm的ZrO 2磨球14g (约5颗),在混粉机上混粉8h,混粉完毕后将混合粉末取 出放入烘箱在50°C干燥3h得到混合粉末;
[0042] 步骤二,将混合粉末放入研钵进行研磨,使用100目标准筛过筛,之后将混合粉末 放入研钵,加入5wt. % PVA溶液,边加边研磨直至均匀后在65°C干燥2h,然后使用20-40目 的标准筛二次过筛,得到均匀颗粒后在200MPa的压强下预压,再研磨,最后利用20-40目的 标准筛三次过筛直至颗粒大小均匀,再用490MPa压强进行干压成型,保压时间为3min,压 制得到# 15mm的圆片;
[0043] 步骤三,将干压成型的圆片放入真空热压烧结炉中进行排胶烧结处理,在 0°C _200°C升温速率为5°C /min,200-550°C升温速率为5°C /min,并在550°C保温Ih ;
[0044] 步骤四,将排胶完成的圆片在真空热压烧结炉中进行真空高温烧结,在1300°C的 温度进行高温烧结,升温速率为l〇°C /min,保温时间3h,即得到钛钇共掺杂氧化锆常温半 导体陶瓷材料。
[0045] 本发明制备的钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的电阻率随不同Ti含量的 变化趋势如表1和图1所示:
[0046]
[0047]注:5YSZ 代表 Zr02+5mo 1 % Y2O3
[0048]表1
[0049] 从表1和图1中可以看出,随着Y2O3的加入,绝缘材料氧化锆电阻率下降 至10 7Q*cm。在此基础上随着Ti含量的增加,绝缘材料氧化锆电阻率大幅度下降,至 KT1Q^cm,而且在1% -30 %的质量分数范围内,Ti含量越高,本发明制得的钛钇共掺杂氧 化锆常温半导体陶瓷材料电阻率越低、导电性能越好。
[0050] 本发明制备的钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的X射线衍射图谱如图2 所示,由衍射峰可见,纯氧化锆为单斜相,添加Y 2O3等低价化合物,可以将ZrO 2的高温相 m-Zr02、c-Zr02保留至室温,在ZrO 2中掺杂Y2O3,可以在晶格中产生带正电的氧离子空位,Y3+ 取代了 Zr4+后,使正电荷减少了 +1价,所以在2个Y3+离子周围存在1个氧空位,从而提高 了稳定ZrO2的导电性,Ti是导电性极好的金属,富集在ZrO 2陶瓷晶界位置,有利于其提高 导电性。
[0051] 本发明制备的钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的相对密度随Ti含量变化 的趋势如图3,由图可见,随着Ti含量的增加,致密度不断提高,说明Ti的加入有利于烧结 致密化,由图可见5YSZ+30wt. % Ti的相对密度可高达97. 2 %。
[0052] 本发明制备得到的钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料中的5YSZ+30wt. % Ti 氧化锆常温导电陶瓷放大5000倍的SEM图和EDS图分别如图4和图5所示,由图可以看出, Ti富集在氧化锆陶瓷晶界位置,然后Ti与Ti之间连接,在界面处提供了自由移动的电子, 从而大幅提高了绝缘氧化锆陶瓷的导电性。

1. 一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,其特征在于,包括以下步 骤: 步骤一,将称量好的Zr02、Y203、Ti粉末放入混料罐中加入磨球进行混粉处理,混粉完毕 后取出烘干得到混合粉末; 步骤二,将步骤一中烘干得到的混合粉末进行造粒压样得到成型样品; 步骤三,将步骤二中得到的成型样品进行排胶烧结; 步骤四,将步骤三排胶烧结完成的成型样品放入真空炉内进行高温烧结,随炉冷却后 即得钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料。2. 如权利要求1所述的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,其特 征在于,所述步骤一中Zr02、Y 203、Ti粉末的平均粒径均为5um,Y203粉末占ZrO 2粉末摩尔质 量的3% -8%,Ti粉末占ZrO2粉末的质量分数为1% -30%,所述磨球为氧化锆球,磨球质 量与Zr02、Y203、Ti粉末质量之和相等,混粉时间为8h-12h。3. 如权利要求1所述的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,其特 征在于,所述步骤二中将步骤一中烘干得到的混合粉末进行造粒压样得到成型样品具体步 骤为: 将混合粉末放入研钵中研磨并混合均匀,一次过筛后加入适当的粘结剂研磨后进行烘 干处理,干燥完成后进行二次过筛,将二次过筛得到的颗粒进行预压破碎后再进行三次过 筛,然后将得到的颗粒通过干压成型制得成型样品,其中,所述粘结剂为聚乙烯醇溶液,一 次过筛的筛孔大小为100-200目,二次过筛和三次过筛的筛孔大小为20-40目,干压成型时 的成型压强为200MPa-490MPa,保压时间为lmin-3min。4. 如权利要求3所述的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,其特 征在于,所述步骤一和步骤二中的烘干温度均为50°C -80°C,烘干时间为lh-3h。5. 如权利要求1所述的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,其特 征在于,所述步骤三排胶烧结时,在(TC -200°C时升温速率为5°C -10°C /min,200°C -550°C 时升温速率为2°C _5°C /min,并在550°C时保温lh-2. 5h。6. 如权利要求1所述的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,其特 征在于,所述步骤四中高温烧结的烧结温度为1300°C -1500°C,升温速率为5°C -15°C /min, 保温时间为lh-3h。7. 如权利要求1所述的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,其特 征在于,所述步骤三和步骤四中烧结均使用真空热压烧结炉,并采用真空烧结方式。
本发明公开的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法,包括以下步骤:将ZrO2、Y2O3、Ti粉末进行混粉处理,然后取出烘干得到混合粉末;将混合粉末进行造粒压样得到成型样品;将成型样品进行排胶烧结;将排胶烧结完成的成型样品放入真空炉内进行高温烧结,随炉冷却后即得钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料。本发明的一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法在ZrO2中掺杂Y2O3,可以在晶格中产生带正电的氧离子空位,从而提高ZrO2的导电性,ZrO2材料中晶界相主要是由原料中SiO2等杂质在烧结过程中向晶界偏析而形成的,Ti元素的掺杂,可使Ti元素富集在ZrO2晶界位置,在常温下晶界提供可自由移动的电子,使得导电性能大幅提高。
C04B35/48, C04B35/622
CN104944946
CN201510366070
吕振林, 曾倩倩, 贾磊, 岳明娟
西安理工大学
2015年9月30日
2015年6月26日

最新一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法的相关内容如下:

本文标题:最新一种钛钇共掺杂氧化锆常温半导体陶瓷材料的制备方法
http://www.tainingxinwen.cn/qitaxinxi/479283.html

0

精彩评论

暂无评论...
验证码 换一张
取 消