氧化锌基陶瓷的冷烧结制备及电学性能研究

摘要

氧化锌(ZnO)具有较宽的带隙和较大的激发结合能，在热电、气体传感器、太阳能电池和压敏电阻等方面有着广泛的应用前景。但是，传统的高温烧结引起晶粒长大，弱化其导电性能，并造成大量的能源消耗。因此，降低烧结温度和减小晶粒尺寸具有重要意义。冷烧结法可以在较低温度下制备出高度致密化的陶瓷，且陶瓷的晶粒尺寸在致密化过程中几乎不生长。本论文采用冷烧结法成功制备出ZnO基陶瓷，系统研究了冷烧结的基本原理及热处理工艺对陶瓷显微结构和电学性能的影响。 以乙酸溶液作为溶剂，系统研究了乙酸浓度、烧结温度和保温时间对氧化锌陶瓷冷烧结特性的影响。研究发现，当乙酸浓度为1mol·L-1、烧结温度为260℃、保温时间为1h时，冷烧结法可以制备致密度高达97.5％的氧化锌陶瓷，且晶粒尺寸控制在1μm以下。 通过高温热处理改变氧化锌粉体的尺寸和反应活性，同时改变液相溶剂的种类，对冷烧结的机理进行了探索。研究发现，采用乙酸锌溶液作为溶剂，同样可以获得与乙酸相似的致密度和显微结构，表明提供合适的沉淀源并实现沉淀的转化是冷烧结的关键。对氧化锌原料在800℃、1000℃和1200℃分别进行处理，研究发现随着原始颗粒尺寸的增大，冷烧结陶瓷密度有所降低，表明氧化锌的原始颗粒尺寸对冷烧结的实现至关重要。 对冷烧结氧化锌陶瓷在不同温度和气氛下进行了热处理。研究发现，热处理后陶瓷的结晶性得到改善，晶粒略有增大，但是其尺寸仍然保持在2μm以下。值得注意的是，在惰性气氛（氩气）、500℃条件下可获得最高电导率16.4S/cm，Seebeck系数为-370μV·K-1，功率因子为230μW·m-1K-2，这与惰性气氛热处理提高了陶瓷的结晶性并形成了大量氧空位有关。 采用共沉淀法合成了不同铝含量的氧化锌铝(ZAO)粉体，以乙酸溶液为溶剂，采用冷烧结法成功制备了致密度高达96.0％，晶粒尺寸约为200nm的氧化锌铝陶瓷。进一步对ZAO陶瓷在900℃氩气气氛中进行热处理，陶瓷的电导率在铝掺杂量为0.5％时达到最大值458.7S/cm。本课题的研究表明，采用冷烧结技术可获得高性能的氧化锌基陶瓷。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1氧化锌陶瓷材料的基本特性及应用

1．1．1氧化锌基本特性及能带结构

1．1．2氧化锌的点缺陷和非故意掺杂

1．1．3氧化锌主要性能及应用

1．2氧化锌陶瓷的烧结技术

1．2．1常规固相烧结

1．2．2热压烧结

1．2．3微波烧结

1．2．4放电等离子烧结

1．3冷烧结技术

1．3．1冷烧结的概念及国内外研究进展

1．3．2冷烧结的基本原理

1．3．3冷烧结法的工艺特点

1．4本课题的主要研究内容及创新点

1．4．1研究内容

1．4．2特色与创新点

2．1实验原料

2．2实验设备

2．3实验技术路线

2．3．1基于乙酸的氧化锌陶瓷冷烧结实验过程

2．3．2氧化锌陶瓷冷烧结制备机理研究的实验过程

2．3．3冷烧结预制氧化锌陶瓷的热处理实验过程

2．3．4铝掺杂氧化锌陶瓷的冷烧结制备实验过程

2．4实验测试及表征方法

2．4．3密度测试

2．4．4电导率及热电性能测试

第三章基于乙酸的氧化锌陶瓷冷烧结制备

3．1乙酸浓度对冷烧结ZnO陶瓷特性的影响

3．1．1密度分析

3．1．2显微结构分析

3．2烧结时间对ZnO陶瓷特性的影响

3．2．1密度分析

3．2．2显微结构分析

3．3烧结温度对ZnO陶瓷特性的影响

3．3．1密度分析

3．3．2显微结构分析

3．4本章小结

第四章氧化锌陶瓷冷烧结机理的研究

4．1乙酸锌对ZnO陶瓷冷烧结的影响

4．1．1乙酸锌浓度的影响

4．1．2冷烧结温度的影响

4．2颗粒状态对氧化锌陶瓷冷烧结的影响

4．2．1粉体预处理

4．2．2颗粒大小对冷烧结的影响

4．3氧化锌冷烧结机理的探讨

4．4本章小结

第五章热处理对冷烧结氧化锌陶瓷结构及性能的影响

5．1 XRD分析

5．2密度分析

5．3显微结构分析

5．4热电性能分析

5．5本章小结

第六章冷烧结法制备氧化锌铝(ZAO)陶瓷材料

6．1不同铝掺杂量ZAO粉末的XRD分析

6．2 ZAO陶瓷的冷烧结制备

6．2．1 XRD分析

6．2．2密度分析

6．2．3显微结构分析

6．3热处理对冷烧结ZAO陶瓷结构和性能的影响

6．3．1 XRD分析

6．3．2密度分析

6．3．3显微结构分析

6．3．4电导率分析

6．4本章小结

第七章总结

参考文献

致谢

攻读研究生期间成果