铽基氧化物陶瓷显微结构分析和电学特性研究

摘要

在2009年，课题组发现稀土氧化物Tb4O7陶瓷具有良好非线性，而且其抗老化性能相比于传统ZnO压敏陶瓷有很大提高，很有潜力发展成为新型压敏材料。通过课题组深入研究，发现纯Tb4O7陶瓷致密度差、非线性系数低，这些缺点限制了它在电路保护领域的使用。本文结合课题组之前的研究，采用掺入多种金属氧化物的方法，研究氧化物掺杂对Tb4O7陶瓷电学性能和显微组织的影响，力求提高Tb4O7陶瓷的致密性及其非线性，使其有可能被大规模的应用。之前使用了大量金属氧化物进行掺杂，但是都没有得到令人满意的结果，最后发现CuO掺入样品后可以大大提高Tb4O7陶瓷的烧结性能，使其在1100℃的温度下就拥有非常好的致密度和较大的非线性系数，该温度明显低于以前使用的1350℃。因为1026℃氧化铜会转换成氧化亚铜，在高温下CuO起到了“液相烧结”的效果。用Al2O3对Tb4O7陶瓷掺杂，发现Al2O3只能在小范围内提高Tb4O7陶瓷致密度，而且随着掺入量的增加，显微结构没有实质性的改变，电学性能差。所以最后选定CuO作为提高Tb4O7性能的掺杂物。XRD和SEM结果表明了Cu原子在高温下会取代Tb4O7晶格中的Tb原子引起晶格畸变，产生大量缺陷，形成了很多的氧空位。氧空位促进了物质传递，提高了物质的扩散系数，从而促进了Tb4O7陶瓷致密化，加速了晶粒生长。掺杂浓度5.0％的样品具有最大的致密度96.2％和晶粒尺寸4.2μm，相比之前样品70％致密度和0.4μm晶粒尺寸，有了非常大的提升。
　　在烧结降温阶段，氧吸附于Tb4O7陶瓷的晶界，被吸附的氧和晶格中自由电子结合，在晶界处形成肖特基势垒，产生了非线性电学行为。为了探索气氛对Tb4O7陶瓷性能的影响，将其置于氩气、氧气、氩气-氧气环境烧结。在氩气中烧结的Tb4O7陶瓷致密度差、晶粒细小、电导率差，但是具有很高的非线性系数。该现象与Pr6O11在氩气中烧结样品结果相同，氩气烧结后Tb4O7陶瓷产生大量氧空位缺陷，这些缺陷聚集在晶界处形成了高能量势垒，提高了非线性系数。氧气能够明显提高Tb4O7陶瓷的致密性和非线性，通过氧气处理的样品，晶粒生长更好，非线性系数更大。随着CuO含量增加，第二相Cu2Tb2O5开始聚集在晶界处，阻碍了物质运输，大大降低了陶瓷密度和晶粒尺寸。
　　CuO-Tb4O7具有优异的显微结构和电学性能。配合课题组之前的研究，选用WO3和Al2O3掺入CuO-Tb4O7陶瓷，观察其结构和性能的变化。根据实验结果发现，无论是WO3还是Al2O3都不能明显提高CuO-Tb4O7陶瓷的电学性能，主要是因为多相产生后阻碍了陶瓷晶粒的生长。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 稀土氧化铽

1．1．1 氧化铽陶瓷结构及氧泵特性

1．1．2 氧化铽陶瓷电学行为研究

1．2 压敏电阻

1．3 液相烧结与活化烧结

1．4 论文研究的意义、主要内容

1．4．1 论文研究的意义

1．4．2 论文的主要内容

第2章 实验过程和方法

2．1 实验原材料和主要测试设备

2．2 实验过程

第3章 CuO和Al2O3掺杂对Tb4O7陶瓷性能影响

3．1 烧结温度与保温时间对CuO-Tb4O7陶瓷显微结构的影响

3．2 CuO掺杂对Tb4O7陶瓷性能影响

3．2．1 CuO掺杂对Tb4O7陶瓷显微结构影响

3．2．2 CuO掺杂对Tb4O7陶瓷电学性能影响

3．3 Al2O3掺杂对Tb4O7陶瓷性能影响

3．3．1 Al2O3掺杂对Tb4O7陶瓷显微结构影响

3．3．2 Al2O3掺杂对Tb4O7陶瓷电学性能影响

3．4 其他氧化物掺杂Tb4O7陶瓷

3．5 本章小结

第4章 烧结气氛对CuO-Tb4O7陶瓷性能的影响

4．1 氧空位与氧浓度关系计算

4．2 氩气烧结对CuO-Tb4O7陶瓷性能影响

4．2．1 氩气烧结对CuO-Tb4O7陶瓷显微结构影响

4．2．1 氩气烧结对CuO-Tb4O7电学性能影响

4．3 氩气烧结-氧气处理对CuO-Tb4O7陶瓷性能影响

4．3．1 氩气烧结-氧气处理对CuO-Tb4O7陶瓷显微结构影响

4．3．2 氩气烧结-氧气处理对CuO-Tb4O7陶瓷电学性能影响

4．4 氧气烧结对CuO-Tb4O7陶瓷性能影响

4．4．1 氧气烧结对CuO-Tb4O7陶瓷显微结构影响

4．4．2 氧气烧结对CuO-Tb4O7陶瓷电学性能影响

4．5 本章小结

第5章 WO3和Al2O3掺杂对CuO-Tb4O7陶瓷显微结构和电学性能的影响

5．1 WO3掺杂对CuO-Tb4O7陶瓷性能影响

5．1．1 WO3掺杂对CuO-Tb4O7陶瓷显微结构的影响

5．1．2 WO3掺杂对CuO-Tb4O7陶瓷电学性能影响?

5．2 Al2O3掺杂对CuO-Tb4O7陶瓷性能影响

5．2．1 Al2O3掺杂对CuO-Tb4O7陶瓷显微结构影响

5．2．2 Al2O3掺杂对CuO-Tb4O7陶瓷电学性能影响

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果