BaTiO3基无铅高居里温度PTCR材料的制备研究

摘要

论文通过Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)改性BaTiO3(BT)基陶瓷材料的实验,研究了无铅高居里点正温度系数热敏电阻器(PTCR)的组成、制备工艺与性能的关系,主要分为三个部分:Bi2O3的引入方式及合成BNT工艺研究;BNT预合成工艺及引入次序研究和高居里温度PTCR陶瓷材料的制备及机理研究。
　　 首先,论文中研究了Bi2O3的引入方式及合成BNT的工艺。从常见的预合成为BNT后引入和以原料氧化物形式直接引入两个方面入手,并考虑了Bi2O3的不同过量程度,以加入0.1mol％BNT为例,研究了预烧温度、保温时间、烧结温度等对材料PTC性能的影响。将原料在780℃预合成为BNT(Bi2O3过量0.5mol％)后再引入到BT基体中与以原料氧化物形式直接加入到BT基体中(Bi2O3过量1.0mol％),但合成BT-BNT固溶体时,在850℃另加一30min保温以合成BNT,两种工艺都可以得到最高居里温度在142℃以上,升阻比超过4.5个数量级的PTCR材料。随后,通过在同样烧成环境(空气气氛)中研究当BNT加入量超过1mol％,Bi2O3引入方式及BNT加入量对材料性能的影响,获得了BNT的最佳引入工艺:采用Bi2O3过量0.5mol％,780℃预合成为BNT后引入到BT基体中。
　　 其次,论文也研究了一种BNT预合成新方法。由于BNT的加入会引起材料半导化困难程度的增加,实验中以摩尔比Bi2O3:Na2CO3:TiO2:Nb2O5:Sb2O3=1～1.005:1:4:0.00046:0.0010引入施主来辅助其半导化,并在加入0.5mol％BNT时进行了实验,其最佳预合成工艺及引入次序是当Bi2O3过量0.5mol％,780℃预合成后,在一次料中引入加有施主的BNT,可以得到居里温度为149.7℃,升阻比在3.5个数量级以上的PTCR材料。
　　 最后,实验通过上述BNT引入方式研究了高居里温度PTCR材料的制备工艺与性能。①讨论了不同烧结工艺对材料PTC性能的影响,当BNT加入量(x)小于4mol％时,可以直接在还原气氛下烧结,得到最高居里温度约192℃,升阻比接近3个数量级的PTCR材料,当x再增大时(x≤20mol％),可以用先氧化气氛烧结后还原气氛热处理或先还原气氛烧结再还原气氛热处理的方法使其半导化,但试样都仅具有弱NTC效应,而不是PTC效应;②研究了采用上述BNT预合成新方法对x=6mol％,8mol％,10mol％和15mol％的试样在还原气氛下烧结制备PTCR材料的工艺,得到材料的居里温度分别在210℃,226℃,237℃和243℃,但它们的升阻比随着x的增大而不断减小,在x=15mol％时,只接近1个数量级。③实验还研究了加入MnO2受主以提高材料升阻比的制备工艺,认为加入一定量的MnO2在适当温度及气氛中烧结、一定温度下热处理可以提高材料的升阻比。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 BaTiO3的晶体结构

1.3 BaTiO3基电子陶瓷的铁电性研究

1.4 BaTiO3基电子陶瓷的介电性研究

1.4.1 BaTiO3基陶瓷介电性能理论模型

1.4.2 BaTiO3晶体的介电特性

1.4.3 介电性能表征相关参数

1.5 BaTiO3基电子陶瓷PTC特性研究进展

1.5.1 BaTiO3陶瓷半导化机理

1.5.2 PTCR材料的基本特性

1.5.3 BaTiO3基陶瓷PTC性能理论模型

1.6 铅基氧化物提高BaTiO3基电子陶瓷居里点的机理

1.7 高居里温度BaTiO3基电子陶瓷制备方法研究

1.7.1 不同制备工艺对居里温度的影响

1.7.2 离子掺杂的影响

1.8 选题的目的与意义

第二章 实验设计与研究方法

2.1 实验原料与主要仪器

2.2 实验设计与方案

2.3 实验工艺流程

2.4 性能表征及测试

第三章 Bi2O3引入方式及合成BNT工艺研究

3.1 课题研究方法

3.2 Bi2O3不同引入方式对材料性能的影响

3.2.1 BaTiO3基本配方研究

3.2.2 850℃预合成后引入对材料性能的影响

3.2.3 氧化物形式直接引入对材料性能的影响

3.2.4 不同温度预合成BNT后引入对材料性能的影响

3.2.5 氧化物形式直接引入时合成过程保温对材料性能的影响

3.2.6 烧结后热处理对材料性能的影响

3.2.7 780℃预合成施主掺杂BNT对材料性能的影响

3.3 Bi2O3不同引入量及引入方式对试样性能的影响及机理研究

3.3.1 Bi2O3不同引入量及引入方式对试样性能的影响

3.3.2 BNT引入对材料各性能的影响机理研究

3.4 本章小结

第四章 高居里温度PTCR陶瓷材料制备工艺与性能研究

4.1 课题研究方法

4.2 烧结工艺对材料PTC性能的影响及机理研究

4.3 BNT预合成新方法对材料PTC性能的影响

4.3.1 BNT引入量对材料PTC性能的影响

4.3.2 850℃/2h热处理对材料PTC性能的影响

4.4 增加受主对材料PTC性能的影响

4.4.1 不同受主加入量对材料PTC性能的影响

4.4.2 不同烧结温度对材料PTC性能的影响

4.4.3 加入不同量石墨烧结对材料PTC性能的影响

4.4.4 不同热处理温度对材料PTC性能的影响

4.5 本章小节

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢