厚膜NTC热敏电阻浆料的制备与性能研究

摘要

随着热敏电阻应用领域的扩展,对温度测量、传感和控制的精度要求越来越高。本文在跟踪国内外热敏电阻材料发展的基础上,以无铅厚膜NTC热敏电阻的研制为研究目标,致力于开发低阻无铅厚膜NTC热敏电阻浆料。主要研究内容和结果如下:
　　制备了BaBiO3厚膜NTC电阻浆料,通过它研究了影响厚膜浆料性能的各种因素,得到了合适的厚膜电阻浆料有机载体配方,制定了 BaBiO3厚膜的烧成工艺,并以BaTiO3做为掺杂剂,研究了Ti4+离子掺杂量对BaBiO3电阻膜显微结构及NTC特性的影响。BaTiO3掺杂量对 BaBiO3厚膜的组织和电性能有较大影响,随着 BaTiO3掺杂量的提高,厚膜晶粒逐渐细化,方阻值呈“U”型变化,B25~85值逐渐增大。当BaTiO3掺杂量x=1时,得到了具有较好性能的厚膜浆料,其方阻为2.4×105Ω·□-1,B25~85值为3100K,电阻温度系数α25为-0.0348℃-1。
　　制备了BaFe1-xSnxO3 NTC陶瓷材料,研究了x值变化对材料显微结构及电性能的影响。当x(Sn)的取值在0~0.4之间时,陶瓷为均匀的固溶体,随着Sn含量增大,烧结后陶瓷晶粒尺寸先减小然后增大。当0.05≤x≤0.15的 BaFe1-xSnxO3陶瓷经过1300℃烧结后已经可以获得理想的烧结密度,晶粒尺寸随x的增大而减小,电阻率随x增大而增大,B值和活化能呈倒“U”型变化。其中x=0.1的陶瓷具有最佳的综合性能,可以作为厚膜电阻浆料的功能相。
　　制备了BaFe1-xSnxO3厚膜电阻浆料,并研究了功能粉体预烧温度和烧结工艺对厚膜电阻浆料性能的影响。通过研究发现BaFe1-xSnxO3粉体最佳制备工艺为1250℃保温6h,最佳厚膜烧制工艺为:以2℃/min升温速度升温到900℃保温1h,再以5℃/min升温到1300℃保温2h,随炉冷却。功能相成份为BaFe0.9Sn0.1O3的厚膜样品性能良好,方阻值为2.5×107Ω·□-1,B25~85值为3542 K。
　　首次以BaBiO3作为粘结相,制备了BFS厚膜电阻浆料,并研究了BaBiO3含量对BFS厚膜NTC电阻浆料性能的影响。该浆料方阻值低, B25~85在3000K~5000K范围内,具有优良的NTC特性。研究发现,使用BaBiO3作为BaFe0.9Sn0.1O3厚膜电阻的粘结相可以显著降低 BaFe0.9Sn0.1O3厚膜电阻的烧结温度。当 BaFe0.9Sn0.1O3和BaBiO3比例一定时,方阻随烧结温度升高而呈“U”型变化,B25~85值增大;当烧结温度相同时,方阻随粘结相含量增加而呈“U”型变化 B25~85值逐渐降低。得到了性能优异的厚膜电阻浆料和厚膜制作方案,热敏相与粘结相的质量比为5∶5,烧结温度为950℃,厚膜样品方阻值为4.2×105Ω·□-1, B25~85值为3973K。BFS厚膜电阻烧成中的烧结过程可以利用烧结初期阶段的动力学方程式进行研究。运用隧道位垒模型对BFS厚膜电阻的导电机理进行深入分析。
　　以CuO和Sb2O3为掺杂剂,研究了掺杂剂对BFS厚膜电阻浆料电性能的影响,并运用半导体掺杂理论对其进行了分析。CuO掺杂为受主掺杂, Cu2+进入导电粒子晶格,首先对Bi5+离子和Sn4+离子进行取代,其次对Fe3+离子进行取代,形成受主掺杂。随着BFS厚膜中CuO掺杂量的升高,厚膜方阻先是缓慢下降,然后迅速降低,而B值呈“Z”型变化。当CuO质量分数为14％时,得到了性能较好的BFS厚膜电阻掺杂样品,其方阻 RS值为2.8×105Ω·□-1,B25~85值为3285K,电阻温度系数α25为-0.0369℃-1。Sb3+在高温下氧化成 Sb5+离子进行施主掺杂,当掺杂量逐渐提高时,随着施主浓度超过受主浓度,载荷子浓度先减小后增加,厚膜方阻和B值呈“Z”型变化趋势。当Sb2O3质量分数为1%时,得到了性能较好的BFS厚膜掺杂样品,其方阻RS值为1.7×106Ω·□-1,B25~85值为3521K,电阻温度系数α25为-0.0395℃-1。

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第一章 文献综述

§1.1 NTC热敏电阻材料概述

§1.2 厚膜技术概述

§1.3 厚膜NTC电阻浆料的组成及材料

§1.4 厚膜NTC电阻浆料的特点及应用

§1.5 厚膜NTC热敏电阻浆料的研究现状及发展趋势

§1.6 厚膜NTC热敏电阻浆料的性能指标

§1.7 厚膜NTC热敏电阻的工艺参数

§1.8 本课题的研究内容、意义和创新点

第二章 实验过程及方法

§2.1 实验主要原材料及设备

§2.2 浆料各组分的制备

§2.3 NTC厚膜电阻浆料及电阻样品制备

§2.4 试样的性能测试方法

第三章 BaBiO3厚膜NTC电阻浆料的制备和性能研究

§3.1 前言

§3.2 影响BaBiO3厚膜NTC热敏电阻浆料性能的因素研究

§3.3 BaBiO3厚膜NTC热敏电阻烧结工艺的研究

§3.4 BaTiO3掺杂对BaBiO3电阻浆料性能的影响

§3.5 本章小结

第四章 BaFe1-xSnxO3厚膜NTC电阻的制备和性能研究

§4.1 前言

§4.2 BaFe1-xSnxO3烧结体的研究

§4.3 BaFe0.9Sn0.1O3厚膜电阻的制备与性能测试

§4.4 BaFe0.9Sn0.1O3厚膜电阻粘结剂的研究

§4.5 本章小结

第五章 厚膜NTC电阻的烧结动力学和导电模型研究

§5.1 前言

§5.2 厚膜NTC热敏电阻烧结动力学研究

§5.3 厚膜NTC热敏电阻导电机理和模型

§5.4 BFS厚膜热敏电阻导电机理

§5.5 本章小结

第六章 添加剂对BFS厚膜NTC电阻浆料性能的影响

§6.1 前言

§6.2半导体掺杂理论

§6.3 CuO对BFS厚膜电阻浆料性能的影响

§6.4 Sb2O3对BFS厚膜电阻浆料性能的影响

§6.5 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

硕士期间论文发表情况