低阻Ni/（Ba，Sr）TiO3复合PTC材料的制备与电性能研究

论文摘要

为了研制具备良好PTC性能的低阻材料,对（Ba,Sr）TiO3陶瓷以及Ni/（Ba,Sr）TiO3复合材料进行了研究。采用了ESEM、OG、TEM、EDX、SAD、XRD、XPS、DSC-TG等现代材料研究与分析方法。测试了材料的电阻-温度特性和耐电压强度。讨论了Ni/（Ba,Sr）TiO3复合PTC材料的性能特点和影响因素。通过增加MnO2添加量、添加BN、加入Zn-V-B系玻璃料以及改变预合成所用的TiO2原料四种途径来改善（Ba,Sr）TiO3陶瓷的PTC性能。这四种途径在增强PTC效应方面均起到了积极的效果。尤其是不改变配方,采用TiO2-B原料制备出的（Ba,Sr）TiO3陶瓷材料PTC性能最为理想。1320℃保温20min烧结后,ρ25 = 228.9Ω·cm,ρmax/ρ25=105.1,α= 25.1%/℃。采用此配方和原料制备与金属Ni复合的陶瓷基质。在还原气氛中烧成后,随着Ni加入量增大,Ni/（Ba,Sr）TiO3复合材料室温电阻率降低,同时PTC效应恶化、耐电压强度下降。综合考虑各项电性能指标,下面研究中将Ni的加入量固定在15wt%。提高烧结温度,有助于制备高性能的Ni/（Ba,Sr）TiO3复合PTC材料。对比了复合材料在倒置的Al2O3坩埚内放置足够多石墨粉形成的还原气氛1、石墨坩埚形成的还原气氛2中烧结后以及热处理后的XRD和XPS图谱,结果表明还原气氛1更适合制备复合PTC材料。另外,所采用的三种Ni粉中,Ni粉平均粒径越小,室温电阻率越小,PTC效应越好。在复合材料中引入了PbO-B2O3-ZnO-SiO2玻璃料。此玻璃料可以很好地润湿（Ba,Sr）TiO3陶瓷。玻璃料以无定形态存在于复合材料中的相界与陶瓷晶界上。晶粒间相和陶瓷之间没有明显的扩散。玻璃料的加入不仅有助于复合材料的致密化,而且有助于Ni颗粒在陶瓷基质中的均匀分布,更为重要的是可以改变Ni-（Ba,Sr）TiO3相界面上的电荷传输,从而改善了复合材料的电性能。当玻璃料加入量为0.5wt% ,AST加入量为0.1wt%时,Ni-（Ba,Sr）TiO3相界面上的液相层厚度适中,既可以避免金属-陶瓷界面上隧道效应对PTC效应的消弱,又不足以因为液相层过厚导致晶界电阻过大,复合材料获得了较佳的电性能。与AST相比,玻璃料更有利于制备高性能的Ni/（Ba,Sr）TiO3复合PTC材料。仅加入0.6wt%玻璃料,Ni/（Ba,Sr）TiO3复合材料1320℃保温20min烧结后获得了最佳的电性能(ρ25=2.5Ω·cm,ρmax/ρ25=103.6,α= 9.0 %/℃)。计算了（Ba,Sr）TiO3陶瓷中的有效施主浓度,肯定了Ni-（Ba,Sr）TiO3界面上通过隧道效应实现欧姆接触的可行性。对制备高性能Ni/BaTiO3复合PTC材料提出了改进措施,并提出了理想的显微结构模型。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 PTCR材料的分类
• 1.1.1 高分子基复合PTCR材料
• 1.1.2 陶瓷基复合PTCR材料
• 2O₃ 基PTCR材料'>1.1.3 V₂O₃基PTCR材料
• 3 基PTCR材料'>1.1.4 BaTiO₃基PTCR材料
• 1.2 PTCR材料的电性能及应用
• 1.2.1 PTCR材料的电特性
• 1.2.2 PTCR材料的应用
• 3 系PTC的理论解释'>1.3 BaTiO₃系PTC的理论解释
• 1.3.1 Heywang－Jonker模型
• 1.3.2 Daniels钡空位模型
• 1.3.3 其他模型
• 1.3.4 界面态的具体内容
• 1.3.5 单个晶界ρ－t关系研究以及晶界结构对PTC效应的影响
• 3 陶瓷半导化及低阻化'>1.4 BaTiO₃陶瓷半导化及低阻化
• 3 陶瓷半导化途径及机理'>1.4.1 BaTiO₃陶瓷半导化途径及机理
• 3 低阻化的途径及影响因素'>1.4.2 BaTiO₃低阻化的途径及影响因素
• 3 基PTC材料的发展方向'>1.5 BaTiO₃基PTC材料的发展方向
• 1.6 本课题的提出
• 第二章 实验方案设计及研究方法
• 2.1 实验原料及实验设备
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 仪器及型号
• 2.2 试样的制备工艺流程
• 2.2.1 玻璃料的制备
• 2.2.2 复合材料的制备工艺流程
• 2.3 样品的结构及性能表征
• 2.3.1 物相结构分析
• 2.3.2 显微结构分析
• 2.3.3 Ni元素形态分析
• 2.3.4 粒度分析
• 2.3.5 综合热分析
• 2.3.6 体积密度测试
• 2.3.7 电性能测试
• 3 半导化陶瓷 PTC 效应的改善'>第三章 （Ba,Sr）TiO₃ 半导化陶瓷 PTC 效应的改善
• 3.1 前言
• 3.2 基础配方的研究
• 3 粉体的相分析'>3.2.1 合成（Ba,Sr）TiO₃粉体的相分析
• 3 基PTC陶瓷的微观形貌'>3.2.2 （Ba,Sr）TiO₃基PTC陶瓷的微观形貌
• 3 基PTC陶瓷的电性能'>3.2.3 （Ba,Sr）TiO₃基PTC陶瓷的电性能
• 2 和BN对PTC效应的影响'>3.3 MnO₂和BN对PTC效应的影响
• 3.4 Zn-V-B系玻璃料对材料的结构和PTC性能的影响
• 3.4.1 微观形貌
• 3.4.2 PTC性能
• 3.4.3 V离子增强PTC效应的讨论
• 3.5 原料对PTC效应的改善
• 3.6 烧结气氛对PTC效应的影响
• 3.7 本章小结
• 3复合 PTC 材料的研究'>第四章 Ni/（Ba,Sr）TiO₃复合 PTC 材料的研究
• 4.1 前言
• 4.2 Ni粉加入量对复合材料的影响
• 4.2.1 微观形貌
• 4.2.2 室温电阻率和密度
• 4.2.3 PTC效应
• 4.2.4 耐电压强度
• 4.3 烧结温度对复合材料的影响
• 4.4 烧结气氛、热处理对复合材料的影响
• 4.4.1 烧结气氛、热处理的说明
• 4.4.2 阻温特性比较
• 4.4.3 相分析（XRD）
• 4.4.4 镍元素的价态分析（XPS）
• 4.4.5 电性能讨论
• 4.5 Ni粉粒度对复合材料的影响
• 4.6 本章小结
• 2O₃-ZnO-SiO₂ 系玻璃料对复合材料的影响'>第五章 PbO-B₂O₃-ZnO-SiO₂系玻璃料对复合材料的影响
• 5.1 前言
• 2O₃-ZnO-SiO₂ （PBZ）系玻璃料的性质'>5.2 PbO-B₂O₃-ZnO-SiO₂（PBZ）系玻璃料的性质
• 5.2.1 粘度
• 5.2.2 表面张力
• 5.2.3 熔融和润湿行为
• 2O₃-ZnO-SiO₂ 系玻璃料对复合材料的影响'>5.3 PbO-B₂O₃-ZnO-SiO₂系玻璃料对复合材料的影响
• 5.3.1 烧结性能
• 5.3.2 晶相结构
• 5.3.3 微观形貌
• 5.3.4 室温电阻率和密度
• 5.3.5 PTC效应
• 5.3.6 耐电压强度
• 5.4 金属－陶瓷界面的观察与分析
• 5.4.1 试样M3 的透射电镜分析
• 5.4.2 其他复合材料试样的透射电镜分析
• 3 相界面厚度与电性能'>5.4.3 Ni-（Ba,Sr）TiO₃相界面厚度与电性能
• 5.5 复合材料中玻璃料与AST添加剂的比较
• 3 陶瓷基质中的晶粒生长'>5.5.1 （Ba,Sr）TiO₃陶瓷基质中的晶粒生长
• 5.5.2 金属Ni的分布
• 5.5.3 致密化
• 5.5.4 复合材料的电性能
• 5.5.5 热循环性能
• 5.6 本章小结
• 3复合PTC材料的理论分析及改进设想'>第六章 Ni/（Ba,Sr）TiO₃复合PTC材料的理论分析及改进设想
• 3 界面上欧姆接触的可行性讨论'>6.1 Ni-（Ba,Sr）TiO₃界面上欧姆接触的可行性讨论
• 6.1.1 理论计算基础
• 3 试样的理论计算'>6.1.2 （Ba,Sr）TiO₃试样的理论计算
• 6.1.3 隧道效应导致欧姆接触的可行性
• 6.2 电性能讨论
• 3 复合PTC材料的设计'>6.3 Ni/（Ba,Sr）TiO₃复合PTC材料的设计
• 3 陶瓷的配方及原料'>6.3.1 （Ba,Sr）TiO₃陶瓷的配方及原料
• 6.3.2 复合所用金属粉的粒度
• 3 陶瓷相和金属相的分布'>6.3.3 复合材料中的（Ba,Sr）TiO₃陶瓷相和金属相的分布
• 3 界面改性与厚度控制'>6.3.4 Ni-（Ba,Sr）TiO₃界面改性与厚度控制
• 6.3.5 理想的显微结构模型
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢