新型钛酸锶多功能压敏陶瓷制备技术研究

论文摘要

钛酸锶系电容——压敏双功能陶瓷是一种重要压敏材料，有压敏电压低、非线性系数高、介电常数高、介电损耗低等优点，是集高频噪声、猝发脉冲、浪涌吸收和自复位功能于一体的复合功能陶瓷。SrTiO3压敏电阻广泛用于低压领域作为过压保护和浪涌吸收元件，如用于微直流电机及电源输入端抑制噪声、保护感性负载或可控硅开关、作旁路电容器等。本实验主要研究了钛酸锶粉体的制备、掺杂、成型，以及烧成工艺，最终制成具有双功能性的钛酸锶压敏陶瓷材料。具体研究内容如下：（1）采用先进的水热合成法制备钛酸锶粉体。以Sr（NO3）2和Ti（OC4H9）4为原料，NaOH为矿化剂，乙醇和去离子水为介质，在水热反应釜中，制得粒径在100 nm左右的钛酸锶粉体。扫描电镜分析，合成的粉体颗粒大小均匀，有少量团聚。（2）粉体的掺杂。除采用传统的物理混合掺杂方法外，还初步探索性的在水热合成过程中直接进行施主和受主元素掺杂。经过X射线衍射分析，发现La3+、Cu2+均成功掺杂到合成钛酸锶粉体的晶相中。（3）粉体的成型研究。实验中采用先进的冷等静压成型方法，与干压制得坯体烧成后的致密度相比有明显提高，并在一定程度上降低了烧结温度。（4）烧成研究。实验中采用一次烧成法制备钛酸锶压敏陶瓷，其工艺与传统的二次烧成法相比更容易控制。烧成过程中，还原性气氛通常由H2提供，这不仅增加了制备成本和工艺控制的难度，而且还存在制备过程中的安全性问题。本实验中，不通入氢气，而采用氩气和石墨结合，形成符合实验要求的还原性气氛。（5）实验中采用La2O3和Nb2O5双施主掺杂，制得SrTiO3压敏材料的综合性能为：压敏电压18V，非线性系数α为4.6，相对介电常数ε=2.7×104，介电损耗D=0.078。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 压敏陶瓷分类
• 1.2.1 ZnO压敏陶瓷
• 2压敏陶瓷'>1.2.2 TiO₂压敏陶瓷
• 3系压敏陶瓷'>1.2.3 SrTiO₃系压敏陶瓷
• 1.2.4 其他压敏陶瓷材料
• 3系压敏陶瓷的功能'>1.3 SrTiO₃系压敏陶瓷的功能
• 1.3.1 高频噪声吸收功能
• 1.3.2 前沿陡峭的脉冲性噪声吸收功能
• 1.3.3 浪涌的吸收功能
• 1.3.4 自复位功能
• 3系压敏陶瓷的应用'>1.4 SrTiO₃系压敏陶瓷的应用
• 1.4.1 微电机环状变阻器
• 1.4.2 电源输入端的应用
• 1.4.3 感性负载开关浪涌
• 1.4.4 用作电容器
• 1.4.5 用于双向可控硅保护
• 3系压敏陶瓷的发展现状'>1.5 SrTiO₃系压敏陶瓷的发展现状
• 3粉体的合成研究'>1.5.1 SrTiO₃粉体的合成研究
• 1.5.2 掺杂改性
• 3压敏陶瓷材料的烧成工艺'>1.5.3 SrTiO₃压敏陶瓷材料的烧成工艺
• 1.6 目前研究存在的问题
• 1.6.1 制粉方法及条件控制
• 1.6.2 掺杂改性元素的选择与配比
• 1.6.3 烧结气氛的控制
• 1.6.4 多功能化
• 1.6.5 性能参数的多元化
• 1.7 本课题研究目的
• 2 钛酸锶压敏陶瓷基础理论
• 2.1 压敏电阻器物理参数
• 2.1.1 非线性系数（α）
• 2.1.2 压敏电压
• 2.1.3 材料常数
• L）'>2.1.4 漏电流（I_L）
• 2.1.5 压敏电阻器温度系数
• 2.1.6 压敏电阻器的焊接和脉冲性能
• 2.1.7 压敏电阻器的蜕变和通流量
• 2.2 压敏电阻器的其它特征
• 2.2.1 固有电容和介质损耗特性
• 2.2.2 脉冲响应特性
• 2.2.3 谐振特性
• 2.2.4 串、并联特性
• 2.3 微观结构及理论模型
• 2.3.1 微观结构及其简化模型
• 2.3.2 芯—壳结构（Cole-shell Structure）
• 2.3.3 晶界缺陷势垒模型
• 2.3.4 S-I-S模型
• 2.3.5 N-P-I-P-N模型
• 2.4 掺杂理论
• 3 实验过程
• 3粉体的制备'>3.1 SrTiO₃粉体的制备
• 3粉体'>3.1.1 水热合成法制备 SrTiO₃粉体
• 3粉体'>3.1.2 固相合成法制备 SrTiO₃粉体
• 3粉体的掺杂改性'>3.2 SrTiO₃粉体的掺杂改性
• 3.2.1 掺杂元素
• 3.2.2 传统混合掺杂工艺
• 3.2.3 尝试水热合成掺杂
• 3.3 试样的制备
• 3压敏陶瓷的成型'>3.3.1 SrTiO₃压敏陶瓷的成型
• 3压敏陶瓷的烧成'>3.3.2 SrTiO₃压敏陶瓷的烧成
• 3.3.3 烧银工艺
• 3.3.4 性能测试
• 4 实验结果与讨论
• 3粉体的合成研究'>4.1 SrTiO₃粉体的合成研究
• 4.1.1 水热合成
• 4.1.2 固相合成
• 4.1.3 合成方法比较
• 4.2 成型效果讨论
• 4.2.1 冷等静压成型与干压成型比较
• 4.2.2 致密度分析
• 4.3 水热合成掺杂方法初试
• 3材料的性能'>4.4 实验制备的 SrTiO₃材料的性能
• 3材料的介电性能'>4.4.1 SrTiO₃材料的介电性能
• 3材料的压敏性能'>4.4.2 SrTiO₃材料的压敏性能
• 4.4.3 结果分析
• 5 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢