液相掺杂BaTiO3基PTC瓷粉的制备及性能研究

论文摘要

钛酸钡是典型的钙钛矿结构（AB03）材料,具有优良的铁电、压电和绝缘性能,被广泛应用于陶瓷电容器、热敏电阻及光电器件中。不掺杂的纯BaTiO3陶瓷是电阻率高达1012Ω·m的绝缘体。在BaTiO3陶瓷中加入微量的稀土元素后,其室温电阻率大幅度下降,当温度上升到它的居里温度Tc=120℃左右时,电阻率将急剧上升,在某一很窄的温度范围内其电阻率可以变化5-8个数量级,这种现象称为PTC （positive temperature coefficient）效应。PTCR材料作为一种新型的半导体陶瓷材料,以其独特的电阻温度变化规律,被广泛地应用于通信设备、电子设备、电子仪表、家用电器、医疗仪器等各个领域。本文首先从理论上对钛酸钡的PTC效应进行了阐述,PTC效应是一种晶界效应,即在晶粒边界上,由于缺陷与杂质的作用形成二维受主表面态,这些二维受主表面态与晶粒内的载流子相互作用,从而形成晶粒表面的与温度有关的肖特势垒,并且在铁电区缺陷的激活能很高,从而使陷落的载流子浓度和势垒高度很小,绝缘区的厚度也相对较小,相对电阻率也很小,这样较好的解释了晶界层电容器和铁电相之间转变过程中所表现的PTC效应。采用低温固态反应法液相掺杂施受主元素来制备纳米BaTiO3基PTC瓷粉。实验以TiCl4, Ba（OH）2·8H2O和Sr（OH）2·8H2O等无机盐为原料,通过不同施主元素（Y,Nd, Ce等）和受主元素（Mn）离子掺杂,低温固相反应合成出性能良好的PTC瓷粉。经X射线衍射（XRD）分析证明,此种方法合成的粉体为立方晶系,掺杂的粉体没有杂质峰出现。透射电镜（TEM）形貌分析,粒子为均匀球形,平均粒径70nm左右。实验结果表明,加入微量的施主元素可有效降低材料的室温电阻,加入受主元素Mn可以提高材料的升阻比。研究了不同施主元素和受主元素的掺杂量对PTCR材料室温电阻、升阻比、电阻温度系数等电性能参数的影响,通过实验确定出各个体系施受主元素的最佳掺杂量。当Y和Mn的掺杂量分别为1.1%和0.04%时,制备出室温电阻为37.09Ω,升阻比和电阻温度系数为别为2.957×105和23.36%/℃性能优异的PTC陶瓷材料。Y和Mn采用液相掺杂进入BaTiO3晶格,使掺杂更均匀,室温电阻比固相掺杂降低约5Ω。Y,Nd双施主掺杂可以更有效的降低室温电阻,使其室温电阻降为23.11Ω。Ce作为施主掺杂,容易被受主所补偿,故室温电阻较高为121.68Ω,升阻比和电阻温度系数为别为1.746×104和16.76%／℃-1。采用程序可控式无压氧化烧结的方法,改变烧结条件（烧结温度、保温时间等）,对材料各种电性能的影响给予了一定的理论解释,确定了各个体系的最佳烧结程序,并对C还原气氛烧结和程序可控式无压氧化烧结这两种烧结方法进行对比。研究表明,在最佳烧成温度范围内瓷体成型好,PTC效应良好；适当的保温有助于充分实现晶粒半导化,但随着保温时间的延长,室温电阻会升高且升阻比下降；在C还原烧结气氛下烧结,瓷体的室温电阻降低,升阻比下降,在程序可控式无压氧化下烧结,瓷体的室温电阻升高,电阻起跳性增强,PTC效应增强。采用低温固态反应法液态掺杂施受主元素来制备纳米BaTiO3基PTC瓷粉,工艺流程简单,反应时间短,产率高；降低了产物的硬团聚；在反应过程中主要反应不使用溶剂,环境污染小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 摘要:
• 1.1 引言
• 1.2 PTC材料的特性及应用
• 1.2.1 电阻—温度特性（R—T特性）
• 1.2.2 电压--电流特性（V—I特性）
• 1.2.3 电流--时间特性（I—T特性）
• 1.2.4 恒温特性
• 1.3 PTC效应机理
• 1.3.1 Heywang模型
• 1.3.2 Jonker模型
• 1.3.3 钡空位模型
• 1.3.4 界面析出模型
• 3材料的半导化'>1.4 BaTiO₃材料的半导化
• 1.4.1 施主掺杂
• 1.4.2 受主掺杂
• 1.5 PTC材料的发展现状、存在的问题及改进的方法
• 1.6 课题研究的目的、意义及内容
• 3基PTC材料性能的影响'>第2章 液相掺杂Y和Mn对BaTiO₃基PTC材料性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 试剂、仪器
• 3粉体的制备'>2.2.2 掺杂BaTiO₃粉体的制备
• 2.2.3 样品表征
• 2.2.4 制陶实验及性能测试
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 粉体XRD物相分析
• 2.3.2 粉体TEM形貌分析
• 2.3.3 粉体EDS分析
• 2.3.4 掺杂元素对PTCR材料性能的影响
• 2.3.5 烧结工艺对材料性能的影响
• 2.4 结论
• 3基PTCR材料的制备及性能'>第3章 Ce掺杂BaTiO₃基PTCR材料的制备及性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 试剂、仪器
• 3粉体的合成'>3.2.2 掺杂BaTiO₃粉体的合成
• 3.2.3 制陶实验及性能测试
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 粉体TEM形貌分析
• 3.3.2 粉体XRD物相分析
• 3.3.3 掺杂施主Ce对材料性能的影响
• 3.3.4 烧结工艺对材料性能的影响
• 3.4 结论
• 3基PTC瓷粉性能的影响'>第4章 Y和Nd双施主掺杂对BaTiO₃基PTC瓷粉性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 试剂、仪器
• 3粉体的制备'>4.2.2 掺杂BaTiO₃粉体的制备
• 4.2.3 制陶实验及性能测试
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 粉体XRD物相分析
• 4.3.2 粉体TEM形貌分析
• 4.3.3 双施主Y、Nd掺杂对材料性能的影响
• 4.4 结论
• 3基PTCR材料性能的影响'>第5章 烧结工艺对BaTiO₃基PTCR材料性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.2.1 试剂、仪器
• 3粉体的制备'>5.2.2 掺杂BaTiO₃粉体的制备
• 5.2.3 制陶实验及性能测试
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 粉体XRD物相分析
• 5.3.2 烧结气氛对材料性能的影响
• 5.3.3 烧结工艺对材料性能的影响
• 5.4 结论
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得的科研成果