低室温电阻率、高性能钛酸钡基PTC功能陶瓷材料的研究

论文摘要

钛酸钡基PTC功能陶瓷是一类应用非常广泛的电子功能陶瓷，有着广阔的市场应用前景和重要的研究价值。自从在钛酸钡材料中发现PTC效应后，降低材料室温电阻率和提高PTC效应一直是研究重点。因为使钛酸钡基PTC陶瓷同时具备低室温电阻率和高PTC效应，就可进一步扩展PTC元件的应用范围，并与日益发展的有机PTC材料竞争。本课题围绕制备低室温电阻率、高PTC效应的钛酸钡基PTC功能陶瓷材料，分别对烧结助剂掺杂、复合施、受主掺杂、稀土氧化物掺杂、烧结工艺过程进行研究。通过对比分析不同掺杂剂、不同掺杂量（2%、5%、8%、10%）、不同掺杂方法（单组分、多组分）以及不同的烧结温度（1200℃1400℃）对陶瓷室温电阻率、PTC效应以及其它电学性能的影响，研究了陶瓷施主掺杂半导化的具体机制。采用稀土氧化物Nd2O3作为施主掺杂剂，制备出室温电阻率低、高性能的钛酸钡基PTC功能陶瓷材料。通过对钛酸钡进行氧化物的掺杂研究，对比材料最终的PTC效应、微观结构以及电性能，我们发现：由于稀土元素Nd3+能够取代BaTiO3晶体中的Ba2+位，起到了细化晶粒的效果。所以掺杂稀土元素对降低PTC材料室温电阻率和提高PTC效应有很明显的效果，随着Nd2O3掺杂量的增加，其室温电阻率会出现一个最小值，呈U型变化趋势。且加入Nd2O3后PTC材料的居里温度也会提高到300℃以上，这对扩展PTC材料的应用范围起到很大的作用。而加入B2O3、SiO2等烧结助剂对降低PTC材料的室温电阻率和改善PTC效应并没有很明显的效果，因为烧结助剂主要是降低PTC材料的烧结温度及提高陶瓷的使用强度。另外，我们还研究不同烧结温度对PTC材料结构与性能的影响。研究表明：随着烧结温度的升高，PTC材料的致密化程度增强，其室温电阻率和PTC效应也会有一些变化，随着烧结温度的提高，PTC材料的居里温度也会有微小的变化。本课题研究发现，在1300℃下进行煅烧可以得到性能优良的PTC材料。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 3 的晶体结构特点'>1.2 BaTiO₃的晶体结构特点
• 3 的结构特点'>1.2.1 BaTiO₃的结构特点
• 1.2.2 钙钛矿材料的电学特性
• 3 型钙钛矿材料结构与电性能的关系'>1.2.3 ABO₃型钙钛矿材料结构与电性能的关系
• 1.3 钛酸钡基PTC 材料的理论基础及应用
• 1.3.1 PTC 材料的概念
• 1.3.2 PTC 效应的理论基础
• 1.3.3 PTC 材料的电学特性及其应用
• 3 基PTC 材料结构和性能的影响'>1.4 掺杂剂对BaTiO₃ 基PTC 材料结构和性能的影响
• 1.4.1 施主掺杂对PTC 材料结构和性能的影响
• 1.4.2 受主掺杂对PTC 材料结构和性能的影响
• 1.4.3 烧结助剂对PTC 材料结构和性能的影响
• 1.4.4 稀土掺杂对PTC 材料电学特性的影响
• 3 基PTC 材料结构和性能的影响'>1.5 生产工艺对BaTiO₃ 基PTC 材料结构和性能的影响
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 3 基PTC 材料烧结助剂掺杂研究'>第二章 BaTiO₃ 基PTC 材料烧结助剂掺杂研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验仪器及设备
• 3 粉料的制备'>2.2.3 BaTiO₃粉料的制备
• 2.2.4 PTC 材料的电性能测试
• 2.2.5 样品的表征手段
• 3 粉体合成及煅烧温度的影响'>2.3 BaTiO₃粉体合成及煅烧温度的影响
• 2.3.1 热重—差热分析结果
• 2.3.2 XRD 分析结果
• 3 基PTC 材料性能的影响'>2.4 掺杂剂对BaTiO₃ 基PTC 材料性能的影响
• 2.4.1 PTC 材料的制备
• 2.4.2 PTC 材料的阻温特性分析
• 2.4.3 PTC 材料的XRD 分析结果
• 2.4.4 PTC 材料的其它电性能参数分析结果
• 2.5 本章小结
• 3 基PTC 材料混合施、受主掺杂研究'>第三章 BaTiO₃ 基PTC 材料混合施、受主掺杂研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验部分
• 3.2.1 试验原料
• 3.2.2 试验仪器及设备
• 3 粉料的制备'>3.2.3 BaTiO₃粉料的制备
• 3.2.4 PTC 材料的表征
• 3.2.5 PTC 材料的制备配方
• 3.3 PTC 材料的电性能分析结果
• 3.3.1 PTC 材料的阻温特性分析结果
• 3.3.2 PTC 材料的电性能参数分析
• 3.4 PTC 材料的结构分析结果
• 3.4.1 XRD 分析结果
• 3.4.2 SEM 分析结果
• 3.4.3 XPS 分析结果
• 3.5 煅烧温度对混合施、受主掺杂PTC 材料的影响
• 3.5.1 PTC 阻温特性分析结果
• 3.5.2 电性能参数分析结果
• 3.6 本章小结
• 3 基PTC 材料稀土元素掺杂研究'>第四章 BaTiO₃ 基PTC 材料稀土元素掺杂研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 试验原料
• 4.2.2 试验仪器及设备
• 3 粉料的制备'>4.2.3 BaTiO₃粉料的制备
• 4.2.4 PTC 材料的表征
• 4.2.5 PTC 材料的制备配方
• 4.3 PTC 材料的电性能分析结果
• 4.3.1 PTC 材料的电性能参数分析结果
• 4.3.2 PTC 材料的阻温特性分析结果
• 4.4 PTC 材料的结构分析结果
• 4.4.1 SEM 分析结果
• 4.4.2 XRD 分析结果
• 4.5 煅烧温度对稀土掺杂PTC 材料的影响
• 4.5.1 电性能参数分析结果
• 4.5.2 PTC 阻温曲线分析结果
• 4.5.3 SEM 分析结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢