本發(fā)明涉及一種高致密高純sic陶瓷壓敏陶瓷及其制備方法，屬于sic陶瓷領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

壓敏電阻陶瓷材料是指在一定溫度下和某一特定電壓范圍內(nèi)具有非線性伏–安特性、其電阻隨電壓的增加而急劇減小的一種半導(dǎo)體陶瓷材料。根據(jù)這種非線性伏安特性，可以用這種半導(dǎo)體陶瓷材料制成非線性電阻器，即壓敏電阻器。壓敏電阻器的應(yīng)用很廣，可以用來滅火花、過電壓保護(hù)、制備避雷針和電壓穩(wěn)定化等。由于壓敏電阻器在保護(hù)設(shè)備安全、保障設(shè)備正常穩(wěn)定工作方面有重要作用，因此在航空、航天、郵電、鐵路、汽車和家用電器等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，眾多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)壓敏電阻陶瓷材料進(jìn)行了廣泛而深入的研究。盡管zno壓敏電阻使用非常廣泛，但是sic壓敏電阻也有其優(yōu)勢(shì)，除在滅磁速度方面性能略差zno電阻元件相應(yīng)性能外，sic壓敏電阻在元件運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)緊湊體積小、能容大、時(shí)效性良好，元件自身可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)較好的均流和均能特性等諸多集成綜合性能方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，另外sic陶瓷化學(xué)穩(wěn)定性以及物理特性如耐腐蝕、耐輻照、熱導(dǎo)率等方面也優(yōu)于zno陶瓷材料。目前國(guó)際上只有m&i等少數(shù)國(guó)外公司生產(chǎn)sic壓敏陶瓷材料，國(guó)內(nèi)很多大型水電站用到的滅磁電阻都是來自m&i公司的產(chǎn)品，例如著名的三峽水電站、二灘水電站等等。

目前sic陶瓷主要通過添加燒結(jié)助劑的方式才可以得到致密的sic陶瓷，最常見的sic陶瓷為添加b-c體系的固相燒結(jié)sic陶瓷和添加氧化鋁和氧化釔的液相燒結(jié)sic陶瓷，但是添加燒結(jié)助劑的sic陶瓷由于晶界相的存在給其性能帶來一定的影響，電學(xué)性能穩(wěn)定性難以保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供了一種sic壓敏陶瓷。所述sic壓敏陶瓷的密度為3.21±0.01gcm^-3，且在20～100℃內(nèi)伏安特性保持不變，所述sic壓敏陶瓷的制備方法包括：

將sic粉體置于石墨坩堝體的底部，控制粉體孔隙率為50～70％；

于真空中升溫至1200℃～1400℃以排除sic粉體吸附的雜質(zhì)；

通入惰性氣氛并繼續(xù)升溫至2100～2300℃，控制壓力為10³～10⁵pa，控制沿石墨坩堝高度方向的溫度梯度為2.5～4℃/cm，保溫30～60分鐘，采用物理氣相傳輸方法在所述石墨坩堝的頂蓋的內(nèi)表面上生長(zhǎng)所述sic壓敏陶瓷。

本發(fā)明采用pvt(physicalvaportransport)法制備了一種高致密的sic壓敏陶瓷。其中pvt法(如圖1所示)主要在于：在石墨坩堝底部放入一定量的sic粉體，一定的氣壓條件下，對(duì)石墨坩堝進(jìn)行加熱，使石墨坩堝內(nèi)部溫場(chǎng)達(dá)到一定要求(2100～2300℃)，使得石墨坩堝底部粉體在高溫下分解生成晶體生長(zhǎng)的氣體組分，最終這些氣體組分在溫度梯度的作用下被輸運(yùn)到坩堝頂部表面并沉積生長(zhǎng)得到sic陶瓷。sic陶瓷中晶體生長(zhǎng)時(shí)，坩堝內(nèi)從粉體到多晶體之間溫度逐漸降低，形成一定的溫度梯度，由于溫度梯度的存在，使得坩堝中從源到晶種之間氣體分子的濃度不同，即溫度梯度決定了濃度梯度。溫度梯度和濃度梯度的微小波動(dòng)是缺陷形成的主要原因之一，當(dāng)多晶上存在溫度、濃度的差異時(shí)，生長(zhǎng)的晶體會(huì)產(chǎn)生微管、位錯(cuò)、夾雜等缺陷。減小多晶與粉料之間的距離，在接近平衡態(tài)的條件下生長(zhǎng)sic多晶體，可以降低溫度和濃度梯度波動(dòng)發(fā)生的幾率，從而提高sic陶瓷的質(zhì)量。通過該方法獲得的sic陶瓷，純度高、致密度接近sic晶體理論密度，保持了sic本征物理化學(xué)性能。

較佳地，所述惰性氣氛為ar氣、he氣中的至少一種。

較佳地，所述sic粉體的粒徑為0.1～1μm。

較佳地，所述sic粉體純度99.9wt％。

較佳地，所述真空的真空度≤10^-3pa。

本發(fā)明制備的高致密高純sic壓敏電阻陶瓷材料，其壓敏電壓較低，隨著溫度的變化，耐壓穩(wěn)定性較好，在一定的溫度范圍內(nèi)，伏安特性保持不變，在電流密度為1macm^-2下的壓敏電壓u1ma為≥0.6vmm^-1，非線性系數(shù)≥2，可以用于高溫微電子領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為pvt法制備高純高致密sic陶瓷示意圖；

圖2為通過pvt法獲得的高致密高純sic陶瓷微觀結(jié)構(gòu)照片；

圖3為高純sic壓敏陶瓷不同溫度下的伏安特性曲線。

具體實(shí)施方式

以下通過下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。

本發(fā)明通過pvt方法制備高致密高純sic壓敏陶瓷，其中，其中sic粉體的純度高達(dá)99.9％，sic陶瓷密度為3.21±0.01gcm^-3，相對(duì)密度接近100％，且在20～100℃內(nèi)伏安特性保持不變，在電流密度為1macm^-2下的壓敏電壓u1ma≥0.6vmm^-1，非線性系數(shù)≥2。

以下示例性地說明本發(fā)明提供的sic壓敏陶瓷的制備方法，如圖1所示。

將sic粉體置于石墨坩堝體內(nèi)，蓋上石墨坩堝頂蓋，放入生長(zhǎng)爐中，先于真空中升溫至1200-1400℃，以排除sic粉體吸附的雜質(zhì)。也可在之前將sic粉體置于坩堝(石墨坩堝)中并壓實(shí)，保持孔隙率可為50～70％。所述真空的真空度≤10^-3pa。作為一個(gè)示例，將sic粉體放入中頻感應(yīng)高溫?zé)Y(jié)爐石墨坩堝的底部，粉體壓實(shí)后孔隙率為50％-70％。將爐子抽真空，真空度控制在10^-3pa以下，將石墨坩堝加熱到1200℃，高溫排除sic粉體吸附的雜質(zhì)。本發(fā)明的選用的原料平均粒徑為0.1～1微米的sic粉體，粉體純度大于99.9％。

去除雜質(zhì)后通入惰性氣氛，并繼續(xù)升溫至2100-2300℃，以使所述石墨坩堝體的底部和/或下部位于加熱區(qū)以使石墨坩堝體的底部的溫度高于石墨坩堝頂蓋的溫度，采用物理氣相傳輸方法生長(zhǎng)sic壓敏陶瓷。石墨坩堝高度方向上溫度梯度控制在2.5℃-4.0℃/mm，也就是說，從石墨坩堝頂蓋到石墨坩堝體的底部的溫度梯度可為2.5～4℃/cm。在sic壓敏陶瓷生長(zhǎng)過程中，生長(zhǎng)時(shí)間可為30-120分鐘。所述惰性氣氛可為ar氣、he氣中的至少一種。所述惰性氣氛的氣壓可為10³～10⁵pa。作為一個(gè)示例，通入高純ar氣，氣壓控制在10³～10⁵pa之間，將爐子升溫至2200℃，坩堝高度方向溫度梯度控制在2.5℃～4.0℃/mm。

作為一種高致密高純sic壓敏陶瓷及其制備方法，包括如下步驟：以高純sic粉體為原料。將所述原料放置于中頻感應(yīng)高溫?zé)Y(jié)爐石墨坩堝底部，孔隙率為50％-70％。將爐子抽真空，將石墨坩堝加熱到一定溫度1200℃，高溫排除sic粉體吸附的雜質(zhì)。通入高純ar氣，氣壓控制在一定范圍(氣壓為10³-10⁵pa之間)，將爐子升溫至2200℃，坩堝高度方向溫度梯度控制在2.5℃-4.0℃/mm。所述sic粉體的粒徑為0.1～1μm。所述sic粉體純度為99.9wt％。所述真空度≤10^-3pa。

本發(fā)明所制備的sic陶瓷密度為3.21±0.01gcm^-3，相對(duì)密度接近100％。在不同溫度下其伏安特性保持不變，壓敏電壓u1ma(電流密度1macm^-2)≥0.6vmm^-1，非線性系數(shù)≥2。制備的sic壓敏陶瓷壓敏電壓較低，穩(wěn)定性較好，可以用于高溫微電子領(lǐng)域。

下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一個(gè)示例，即本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過本文的說明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。

實(shí)施例1

選取平均粒徑為0.5微米的sic高純粉體，純度為99.9％，將sic粉體放入中頻感應(yīng)石墨爐石墨坩堝的底部，粉體孔隙率為0.6；將爐子抽真空，真空度控制在10^-3pa以下，將石墨坩堝加熱到1200℃，高溫排除sic粉體吸附的雜質(zhì)；通入高純ar氣，氣壓控制在10³pa，將爐子升溫至2200℃，爐子高度溫度梯度控制在2.5℃/mm；保溫時(shí)間為30min，得到sic陶瓷，所述sic陶瓷密度為3.21g/cm³，其微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖2中可知sic陶瓷的晶粒尺寸大小。將獲得的sic陶瓷加工成φ10mm厚度2mm的圓片，并將其兩端磨平，在其兩端均勻的涂覆上銀漿電極，然后將其在馬弗爐中750℃保溫30min，獲得的sic陶瓷圓片經(jīng)keithley2450多通道測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試不同溫度下的伏安特性(如圖3所示)，其壓敏電壓u1ma＝1.6vmm^-1，非線性系數(shù)α＝2.34保持不變。

實(shí)施例2

選取平均粒徑為0.5微米的sic高純粉體，純度為99.9％，將sic粉體放入中頻感應(yīng)石墨爐石墨坩堝的底部，粉體孔隙率為0.6；將爐子抽真空，真空度控制在10^-3pa以下，將石墨坩堝加熱到1200℃，高溫排除sic粉體吸附的雜質(zhì)；通入高純ar氣，氣壓控制在10³pa，將爐子升溫至2200℃，爐子高度溫度梯度控制在3℃/mm；保溫時(shí)間為30min，得到sic陶瓷，所述sic陶瓷密度為3.20g/cm³。將獲得的sic陶瓷加工成φ10mm厚度2mm的圓片，并將其兩端磨平，在其兩端均勻的涂覆上銀漿電極，然后將其在馬弗爐中750℃保溫30min，獲得的sic陶瓷圓片經(jīng)keithley2450多通道測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試不同溫度下的伏安特性，其壓敏電壓u1ma＝1.55vmm^-1，非線性系數(shù)α＝2.20保持不變。

實(shí)施例3

選取平均粒徑為0.5微米的sic高純粉體，純度為99.9％，將sic粉體放入中頻感應(yīng)石墨爐石墨坩堝的底部，粉體孔隙率為0.6；將爐子抽真空，真空度控制在10^-3pa以下，將石墨坩堝加熱到1200℃，高溫排除sic粉體吸附的雜質(zhì)；通入高純ar氣，氣壓控制在10³pa，將爐子升溫至2300℃，爐子高度溫度梯度控制在2.5℃/mm；保溫時(shí)間為120min，得到sic陶瓷，所述sic陶瓷密度為3.21g/cm³。將獲得的sic陶瓷加工成φ10mm厚度2mm的圓片，并將其兩端磨平，在其兩端均勻的涂覆上銀漿電極，然后將其在馬弗爐中750℃保溫30min，獲得的sic陶瓷圓片經(jīng)keithley2450多通道測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試不同溫度下的伏安特性，其壓敏電壓u1ma＝0.6vmm^-1，非線性系數(shù)α＝3.21保持不變。