液相掺杂BaTiO3基PTC陶瓷材料的制备、表征及电性能研究

摘要

钛酸钡是制备电子陶瓷元器件的基础母料，是典型的钙钛矿结构（ABO3）材料，具有优良的介电、压电，光电和绝缘性能，纯的BaTiO3陶瓷是一种良好的绝缘材料，其室温电阻率高达1010-1012Ω·ｍ。1950年，Haayman等人发现，在BaTiO3陶瓷材料中加入微量的稀土元素，其室温电阻率会大幅度下降而成为半导体陶瓷，并且当温度上升到它的居里温度Tc=120℃左右时，其电阻率急剧上升，变化达5～8个数量级，这种特性称之为PTC （positive temperature coefficient） 效应。BaTiO3基PTC陶瓷材料具有的阻温特性、电流时间特性等,使其成为一种重要的基础控制元件, 迄今在电子信息、家电、自动化控制、生物、能源及其它各个领域 (包括军用和航天设备) 正在获得广泛的应用。近些年对BaTiO3进行掺杂改性得到了广大科技工作者的广泛关注，通过对其进行施受主共掺杂，可以使钛酸钡基PTC材料具有较低的室温电阻、较高的升阻比，大大改善了材料的PTC效应。
　　 本实验室采用低温固态反应法，选取TiCl4、Ba（OH）2·8H2O、Sr（OH）2·8H2O、NH3·H2O等为基本原料，以Y、Nb、Nd和Mn分别作为施受主元素通过液相反应以离子的形式掺入，在反应过程中加入AST（SiO2，Al2O3，TiO2）烧结助剂，对BaTiO3基PTC陶瓷的性能进行了系统研究。该实验工艺简单，反应时间短，能耗低，减少了由中间步骤及高温煅烧而引起的粉体团聚及化学成分的不均匀性。烧结助剂的加入，提高了材料的半导化程度，降低了烧结温度，通过选择合适的烧结程序，得到了性能优良的PTC电阻材料。产品经 XRD分析测试， 纳米粉体为立方晶系，掺杂粉体的衍射峰与纯相钛酸钡粉体衍射峰一致，没有杂质峰出现。经TEM透射电镜形貌分析，制备所得到的粉体为均匀球形，粒子粒径为40-60nm。实验过程中，通过控制施、受主元素的用量，有效的降低了PTC材料的室温电阻，增大了材料的正温度系数，提高了材料的升阻比。通过实验确定出了各个体系施受主元素的最佳掺杂用量。当Nb和Mn的掺杂量分别为0.3％和0.04％时，得到了室温电阻29.6Ω,升阻比1.3×105、正电阻温度系数α为19.3％·/oC的性质优良的PTC陶瓷材料。Y，Nb双施主掺杂可以更有效的降低室温电阻，当Y和Nb的用量分别为0.2mol％和0.18mol％，Mn的用量为0.04mol％时，制备出了室温电阻17.6Ω、升阻比6.5×104、正电阻温度系数为18.6 ％·/oC的性能优异的PTCR电阻材料。当Nb的用量为0.28％，Nd的用量为0.32％，Mn的用量为0.04mol％时，得到了室温电阻28.7Ω、升阻比2.3×105，正电阻温度系数为19.8 ％·/oC的优良PTC材料。
　　 对于钛酸钡陶瓷的烧结，采用程序可控式无压氧化烧结的方法，通过对所得样品的电性能进行测试，不断的调整烧结程序，优化各阶段的烧结温度和保温时间，最终确立了各个体系的最佳烧结程序，同时我们也对C还原气氛烧结的样品做了测试对比，研究表明，无压氧化烧结的样品，在最佳烧成温度下，样品成瓷性较好，PTC效应良好；不同温区适当的保温，有助于晶粒半导化，但是保温时间过长，也会影响材料的室温电阻和PTC效应；C还原气氛下烧结所得到的材料，瓷体的室温电阻较低，但是升阻比也较小，PTC效应不理想。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

第2章 液相Nb掺杂钛酸钡基PTC材料的制备及电性能研究

第3章 液相Y、Nb共掺杂BaTiO3基PTCR的制备和表征

第4章 液相Nd、Nb共掺杂BaTiO3基PTCR的制备和表征

第5章 结 论

参考文献

致 谢

攻读学位期间取得的科研成果