一种稀土掺杂LaAlO3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料和热敏电阻及其制备方法

本发明属于电学材料，具体涉及一种稀土掺杂铝酸镧(laalo3)基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料和热敏电阻及其制备方法。

背景技术：

1、随着电子技术的迅猛发展，特别是在航空航天、汽车引擎管理、工业炉控制、电力系统等高温环境下的应用，对高温区负温度系数(negative temperature coefficient，简称ntc)材料的需求日益增长。这类材料的特点是在高温环境下保持良好的电学稳定性，其电阻值随温度升高而降低，因此它们被广泛应用于温度传感器、热敏电阻、过热保护及温度控制等领域。

2、然而，现有的高温区ntc材料在电学性能和耐温性方面存在一定的局限性。一方面，许多高温区ntc材料在长时间的高温使用过程中会出现电学性能的不稳定，例如电阻值的漂移、响应时间的延长等问题，这会导致温度控制的精度下降，从而影响整个系统的稳定性和可靠性。另一方面，现有的高温区ntc材料往往耐温性较差，无法在极高的温度下长期工作，这限制了它们在高温度环境下的应用范围。

3、此外，现有的高温区ntc材料的制备工艺也存在着一定的挑战。例如，材料的微观结构控制、掺杂元素的均匀分布、烧结工艺的优化等，这些都会影响最终材料的电学性能和稳定性。因此，研发一种新型的、在高温下具有优异电学性能和稳定性的ntc材料，以及其高效、可控的制备方法，成为了材料科学和电子技术领域的一个重要研究方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种稀土掺杂铝酸镧基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料，该材料在高温下具有良好的电学性能和稳定性。

2、为实现这一目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种稀土掺杂laalo3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料，所述热敏陶瓷材料由三氧化二镧、三氧化二铝以及三氧化二铕、三氧化二钆、三氧化二钬或三氧化二铥按重量百分比固相反应制成，其化学组成为la0.9x0.1alo3，其中x＝eu、gd、ho或tm。

4、所述热敏陶瓷材料的电性能参数如下：b700/1000k＝213.39k～13564.1k，ρ1000k＝12.9×103ω·cm～13.3×105ω·cm，适用温区范围为500℃～1500℃；在高温1000℃下老化500小时后电阻漂移率δr/r0(％)均小于8％。

5、本发明进一步提供了一种稀土掺杂laalo3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

6、a、分别称取原料三氧化二镧、三氧化二铝以及三氧化二铕、三氧化二钆、三氧化二钬和三氧化二铥中的一种进行混合，球磨，烘干获得粉体；

7、b、将粉体加热至150-250℃，在150-250℃下保温0.5-1.5h，再加热至1200-1400℃，在1200-1400℃下煅烧8-11h，升温速率为1-3℃/min；然后，以1-3℃/min的降温速度冷却，即得到la0.9x0.1alo3粉体；

8、c、la0.9x0.1alo3粉体进行二次球磨，烘干即得稀土掺杂laalo3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料粉末。

9、优选地，步骤a和步骤c中，球磨采用的粉碎介质为玛瑙球，球磨介质为乙醇。

10、优选地，步骤a中，球磨机以300转/分顺时针旋转40分钟，停止20分钟，再以300转/分逆时针旋转40分钟，重复8小时。

11、优选地，步骤a和步骤c中，烘干温度为90℃。

12、优选地，步骤c中，球磨时间为5-7小时。

13、本发明更进一步提供了一种采用上述稀土掺杂laalo3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料制备热敏电阻的方法，所述方法包括如下步骤：

14、将稀土掺杂laalo3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料的粉体压成圆形薄片，冷等静压170-190s；再在1550 -1650℃下保温18-22h，即得到圆片状宽温区高稳定性热敏陶瓷材料；最后将圆片状宽温区高稳定性热敏陶瓷材料正反两面涂覆铂浆电极，退火冷却到室温，即得到宽温区高稳定性负温度系数热敏电阻。

15、优选地，所述冷等静压的压力为250-350mpa。

16、根据本发明的优选实施例，本发明采用稀土元素掺杂的方法，制备了la0.9x0.1alo3(x＝eu,gd,ho,tm)热敏陶瓷材料并进一步制备了laalo3陶瓷电阻，其制备方法包括：

17、a、首先，准确称量高纯度氧化镧、氧化铝、氧化铕、氧化钆、氧化钬和氧化铥，确保按照化学计量比进行配比。

18、b、接着，将这些粉末放入球磨机中，使用玛瑙球作为研磨介质，乙醇作为分散剂。球磨机首先以每分钟300转的速度顺时针旋转40分钟，然后暂停20分钟，再逆时针旋转40分钟，这样的循环重复进行，总时长为8小时。

19、c、完成球磨后，将混合粉末放入干燥箱中，在90℃的温度下烘干。随后，将干燥后的粉末加热至200℃，并在该温度下保持1小时。之后，继续加热至1300℃，并在该温度下煅烧10小时，升温速度设定为每分钟2℃。煅烧完成后，同样以每分钟2℃的速度冷却粉末。

20、d、将煅烧并冷却后的粉末再次放入球磨机中，研磨6小时，然后进行干燥处理。使用20mpa的压力将粉末挤压成直径10毫米、厚度2毫米的圆形薄片，接着在300mpa的等静压下保持180秒。

21、e、最后，将挤压成型的圆形薄片在1600℃的温度下保持20小时，加热和冷却的速度同样保持在每分钟2℃。经过这些步骤，最终的陶瓷样品得以制备完成。

22、本发明将粉体压片是为了烧结致密，涂覆铂浆电极是为了测试更为准确。

23、与现有技术相比，本发明的稀土掺杂高温区ntc材料具有以下优点：

24、1、通过稀土元素的加入，laalo3基陶瓷在特定的高温区间内会发生晶格的变形和结构的转变，这直接导致了材料电性能和稳定性的增强。

25、2、复阻抗测量结果指出，la0.9x0.1alo3的电阻行为主要受控于晶粒的大小和晶界的特性，显示出优秀的电学稳定性。

26、3、光致发光(pl)分析揭示，稀土元素的引入加强了稀土离子与氧离子之间的电荷转移过程，尤其是铕(eu)的掺杂显著提升了材料的光学特性，为该材料的发光特性及其在光学温度传感中的潜在应用提供了有价值的见解。

27、4、高温耐受性测试结果显示，在低温环境下，电子跃迁由于较高的活化能而变得困难，而在高温环境中，电子跃迁变得较为容易，活化能降低，从而增强了材料的导电性和高温稳定性。

28、5、密度泛函理论(dft)的计算分析表明，稀土元素的掺杂有效地减小了材料的带隙宽度，增加了载流子的数量，从而提高了电导率并优化了ntc特性。

1.一种稀土掺杂laalo3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料，其特征在于，所述热敏陶瓷材料由三氧化二镧、三氧化二铝以及三氧化二铕、三氧化二钆、三氧化二钬或三氧化二铥按重量百分比固相反应制成，其化学组成为la0.9x0.1alo3，其中x＝eu、gd、ho或tm。

2.根据权利要求1所述的稀土掺杂laalo3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料，其特征在于，所述热敏陶瓷材料的电性能参数如下：b700/1000k＝213.39k～13564.1k，ρ1000k＝12.9×103ω·cm～13.3×105ω·cm，适用温区范围为500℃～1500℃；在高温1000℃下老化500小时后电阻漂移率δr/r0(％)均小于8％。

3.一种稀土掺杂laalo3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤a和步骤c中，球磨采用的粉碎介质为玛瑙球，球磨介质为乙醇。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤a中，球磨机以300转/分顺时针旋转40分钟，停止20分钟，再以300转/分逆时针旋转40分钟，重复8小时。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤a和步骤c中，烘干温度为90℃。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤c中，球磨时间为5-7小时。

8.一种采用权利要求1或2所述稀土掺杂laalo3基宽温区高稳定性负温度系数热敏陶瓷材料制备热敏电阻的方法，所述方法包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述冷等静压的压力为250-350mpa。