La2O3、CeO2、Nd2O3掺杂对SnO2基电极陶瓷性能影响的研究

摘要

电极是玻璃熔制的核心元件，电极性能的高低直接关系到玻璃产品品质的优劣。二氧化锡电极陶瓷具有优越的高温导电性能，对玻璃熔体耐腐蚀，无污染，特别适用于含铅玻璃、光学玻璃等高品质玻璃的熔制。但纯SnO2本身是不导电、难烧结、结构疏松的材料，制备Sn()2电极陶瓷首先要解决的问题无疑是如何提高SnO2陶瓷的导电性能、烧结性能和致密度。金属氧化物掺杂是改善SnO2电极陶瓷性能的有效途径。本论文在传统工艺条件下，研究稀土元素氧化物掺杂对SnO2基陶瓷改性的影响。另外也提供一种较为实用的新型电极陶瓷制备方法，为其它陶瓷材料设计提供参考依据。
　　 研究了CeO2、La2O3掺杂对SnO2基陶瓷常温电阻率、致密度、力学性能的影响情况。随着La2O3掺杂量的升高，二氧化锡陶瓷电阻率先升高再降低，在La2O3掺杂量为0.4wt％的时候，二氧化锡陶瓷电阻率最低,仅为无掺杂样品的21.4％；La2O3掺杂后，SnO2基陶瓷致密度最高为91.6％。通过SEM、XRD测试分析可知，掺入La2O3后，晶格结构很明显，晶体生长趋于完整、均匀，气孔率明显减少，界面结合良好。掺杂未改变SnO2的晶型，La掺杂量的提高能促进SnO2的结晶。
　　 对比La2O3掺杂，CeO2掺杂后SnO2陶瓷电阻率为未掺杂时的8倍，不利于SnO2电极陶瓷的应用，但CeO2掺杂能明显改善SnO2陶瓷的致密度和力学性能。当CeO2的掺杂量为1.2wt％时，SnO2陶瓷致密度从国产陶瓷的90.0％提高到95.1％；维氏硬度提高26.4％。通过XRD、SEM测试分析可知，随着CeO2掺杂量的增加，SnO2晶体生长趋于完整，致密度得到提高。
　　 通过系统掺杂实验，发现稀土元素La、Ce单独掺杂各有其局限性，La2O3掺杂可有效地降低SnO2陶瓷电极的常温导电率，但对SnO2陶瓷电极致密化作用不明显；CeO2掺杂能有效地提高SnO2陶瓷致密度和力学性能，但大幅度地升高了SnO2陶瓷的电阻率。而通过La、Ce混合掺杂能有效地改进SnO2基陶瓷的导电性能和烧结性能，较大地提高SnO2陶瓷的综合性能。La、Ce的混合掺杂可进一步地降低SnO2陶瓷的电阻率。当La、Ce掺杂总量为0.7wt％时，SnO2陶瓷的电阻率可低至224Ω·cm，为无掺杂样品的5.9％，为单掺La2O3样品的29.5％。当La、Ce掺杂总量为1.8wt％时,SnO2陶瓷致密度为95.8％，较之单掺La2O3的91.6％有明显的提高。SEM、XRD测试结果表明，La、Ce混合掺杂能较好地促进SnO2晶粒生长。随着Ce、La掺杂量增多，SnO2晶粒以晶界扩散的方式不断长大，晶粒之间接触面积也不断扩大，晶粒越发聚集，而气孔的体积逐渐缩小以至排除，使SnO2晶体生长趋于完整，最终形成致密体，从而减少晶体内部缺陷，提高SnO2陶瓷的密度及致密度。
　　 研究发现Nd2O3掺杂对SnO2电极导电性能和致密度都有一定程度的改善，但和La2O3、CeO2掺杂相比，作用不是很明显。
　　 烧结温度、保温时间和助烧剂对SnO2陶瓷烧结影响很大。当烧结温度设计在1450℃上，并保温4个小时，可以烧制出密度为6.52g/cm3，致密度达到94.5％的样品。Sb2O3对SnO2陶瓷具有明显的助烧作用，Sb2O3掺杂量为2％的样品在1400℃就完全成瓷，致密度达到94.2％。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 SnO2基本性质

1.3 SnO2烧结性能研究

1.4 SnO2导电性能研究

1.5 稀土掺杂研究

1.6 课题研究的内容与意义

第二章 烧结工艺研究及其对稀土掺杂SnO2陶瓷导电性能的影响

2.1 前言

2.2 实验

2.2.1 实验原料和仪器

2.2.2 SnO2陶瓷制备

2.2.3 X射线衍射分析

2.2.4 陶瓷断面形态结构分析

2.2.5 EDS元素分析

2.2.6 电学性能的测定

2.2.7 体积密度测定

2.2.8 硬度测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 烧结温度的选择及助烧剂配方

2.3.2 烧结温度和时间对SnO2陶瓷性能的影响

2.3.3 助烧剂Sb2O3对SnO2陶瓷性能的影响

2.4 小结

第三章 La2O3掺杂对SnO2基陶瓷电学及力学性能的影响

3.1 前言

3.2 实验

3.2.1 实验试剂和仪器

3.2.2 SnO2基陶瓷制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 前期实验结果与讨论

3.3.2 优化实验结果与讨论

2.3.3 导电机理探讨

2.4 结论

第四章 CeO2掺杂对SnO2基陶瓷电学及力学性能的影响

4.1 前言

4.2 实验

4.2.1 实验试剂和仪器

4.2.2 掺杂陶瓷制备工艺流程

4.2.3 配方设计

4.2.4 测试及表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 前期试验结果与讨论

4.3.2 优化实验结果与讨论

4.3.3 Ce掺杂机理

4.4 结论

第五章 CeO2、La2O3混合掺杂对SnO2基陶瓷电学性能及显微结构的影响

5.1 前言

5.2 实验

5.2.1 实验试剂和仪器

5.2.2 掺杂陶瓷制备工艺流程

5.2.3 测试及表征手段

5.3 结果与分析

5.3.1 混合掺杂配方设计

5.3.2 常温电阻率测试

5.3.3 密度分析

5.3.4 高温电阻率测试

5.3.5 SEM分析

5.4 结论

第六章 新型掺杂Nd2O3二氧化锡电极的导电性能探索研究

6.1 前言

5.2 实验

6.2.1 实验试剂和仪器

6.2.2 掺杂陶瓷制备工艺流程

6.2.3 测试及表征手段

6.2.4 配方设计

6.3 结果与讨论

6.3.1 SEM分析

6.3.2 EDS分析

6.3.3 掺杂不同含量Nd2O3的电阻率和体积密度分析

6.4 结论

第七章 总结

参考文献

硕士期间发表论文

致谢