稀土氧化物CeO2、La2O3掺杂SnO2基陶瓷的性能研究

摘要

二氧化锡属于n型半导体，是一种宽带系半导体材料，带宽范围为3.6～4.0eV。载流子主要为晶格中的自由电子，纯二氧化锡不宜作导电陶瓷，但在掺杂后能成为良好的导电体。
　　 二氧化锡被广泛地运用于气敏陶瓷、热敏陶瓷、压敏陶瓷以及薄膜等，但都只单一研究其电学性能或烧结性能。二氧化锡具有耐高温、耐侵蚀、高温导电性优良等特点，因此作为工业电极可以用于熔制几乎所有的玻璃品种。二氧化锡陶瓷电极应同时具备更好的导电性能、烧结性能以及力学应能以满足玻璃熔制过程中特殊的环境及性能要求。
　　 本文采用传统的陶瓷生产工艺制备二氧化锡基陶瓷，并通过掺杂稀土元素氧化物对其进行改性。利用XRD对稀土掺杂的SnO2陶瓷晶型测试分析；利用SEM观察试样的微观形貌；利用EDS进行成分分析；利用阿基米德原理测试分析试样的体积密度及致密度；测试并分析试样的常温电阻率及电阻率-温度变化情况。
　　 本文首先通过正交实验的方法研究了在三个水平下(0.25wt％、0.50wt％、1.00wt％)下，CeO2、Sb2O3、MnO2、ZnO的掺杂对SnO2基陶瓷常温电阻率、体积密度以及致密度的影响情况，结果表明:Sb2O3的掺杂可以明显降低SnO2基陶瓷常温电阻率，MnO2、ZnO的是掺杂对SnO2基陶瓷常温电阻率及体积密度的影响较小；而当CeO2的掺杂量由0.25wt％升高至1.00wt％时，SnO2陶瓷电阻率升高了1.6倍，但可使SnO2陶瓷的致密度提高至95.8％。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，同时又导致其内部的氧空位、自由电子以及其它载流子的减少，从而使得SnO2陶瓷的常温电阻率大幅度升高。
　　 其次，研究了La2O3掺杂对SnO2基陶瓷电阻率及微观结构的影响。La2O3的引进能够促进SnO2晶体生长，在一定的掺杂范围内，能够显著地降低SnO2基陶瓷电阻率。在La2O3的掺杂量为0.50wt％时，SEM测试发现SnO2基陶瓷内部出现了非相交第二相晶体，经XRD及EDS分析知该第二相晶体为La2Sn2O7，新生相会增加结构中离子排列的混乱度，提高结构中空位的浓度，进而使SnO2基陶瓷的电阻率大幅降低，电阻率最低为334O·cm，仅为无La2O3掺杂试样电阻率的15％左右；当La2O3的掺杂量升高至1.00wt％时，非相变第二相晶体La2Sn2O7明显减少，SnO2基陶瓷的电阻率反而升高。
　　 本文还研究了La2O3掺杂对SnO2基陶瓷致密度及力学性能的影响。0.50wt％La2O3的试样的体积密度可达6.53g/cm3，维氏硬度和断裂韧性比分别提高了14.13％和8.3％。由掺杂La2O3而产生的非相变第二相晶体La2Sn2O7作为弥散颗粒分布在SnO2晶界或相界上，使SnO2晶相中存在着各种应力，这些晶界应力的产生起到了增韧SnO2陶瓷的效果。
　　 本文的最后还对SnO2基陶瓷作为工业电极用于内热法还原镁的可行性进行了探讨。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 二氧化锡的基本性质和及各种用途

1.2 二氧化锡陶瓷电极前期发展和现状

1.3 二氧化锡陶瓷的掺杂研究进展

1.4 稀土元素的掺杂研究

1.5 课题研究的内容与难点

第二章 稀土掺杂SnO2基陶瓷的制备工艺及测试手段

2.1 实验试剂与仪器

2.2 制备工艺流程

2.3 测试方法

第三章 CeO2掺杂对SnO2基陶瓷性能与显微结构的影响

3.1 掺杂元素的选择

3.2 实验步骤

3.3 结果与分析

3.4 CeO2的作用机理

3.5 结论

第四章 La2O3掺杂对SnO2基陶瓷显微结构与电学性能的影响

4.1 掺杂元素的选择

4.2 实验步骤

4.3 结果与分析

4.4 导电机理研究

4.5 结论

第五章 La2O3掺杂SnO2基陶瓷烧性能及力学性能的研究

5.1 实验过程

5.2 结果与分析

5.3 La2O3掺杂对SnO2陶瓷力学性能的影响

5.4 L82O3掺杂SnO2基陶瓷增韧机理

5.5 结论

第六章 SnO2基陶瓷作为发热体材料的可行性探讨

6.1 背景及意义

6.2 内热法还原镁窑炉设计

6.3 SnO2陶瓷电极电学参数

6.4 SnO2陶瓷电极抗侵蚀分析

6.5 结论

第七章 结论

参考文献

硕士期间发表论文及专利

致谢