含鉍無(wú)鉛鈦酸鋇基PTC陶瓷材料的研究.pdf

1、隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視,在電子陶瓷領(lǐng)域中,迫切需要發(fā)展具有高居里溫度、低室溫電阻率和高升阻比的無(wú)鉛正溫度系數(shù)(PTC)電阻陶瓷材料。為了替代目前對(duì)環(huán)境和人體有害的含鉛PTC陶瓷材料,本文對(duì)三種BaTiO3基陶瓷材料系統(tǒng)進(jìn)行了PTC性能的研究,以尋求一種新型無(wú)鉛PTC陶瓷的配方組成及制備工藝。該論文采用固相法對(duì)BaTiO3-Bi0.5Na0.5TiO3(BT-BNT)、BaTiO3-Bi0.5K0.5TiO3(BT-BKT)與BaTiO

2、3-Bi0.5Li0.5TiO3(BT-BLT)系統(tǒng)陶瓷在空氣氣氛下燒結(jié)制備,同時(shí)還研究了用還原-再氧化法制備BaTiO3-Bi0.5Na0.5TiO3、BaTiO3-Bi0.5K0.5TiO3系統(tǒng)陶瓷。還原氣氛下燒結(jié)可以使陶瓷試樣獲得較低的室溫電阻率,經(jīng)過(guò)再氧化處理后,陶瓷晶界勢(shì)壘重新形成,進(jìn)而獲得PTC效應(yīng)。通過(guò)對(duì)制備試樣進(jìn)行XRD、SEM及阻溫特性測(cè)試分析,研究配方組成和制備工藝對(duì)陶瓷性能的影響。
　　 在空氣中燒結(jié)BaT

3、iO3-Bi0.5Na0.5TiO3、BaTiO3-Bi0.5K0.5TiO3與BaTiO3-Bi0.5Li0.5TiO3這三種系統(tǒng)陶瓷后發(fā)現(xiàn):當(dāng)摻雜物Bi0.5Na0.5TiO3、Bi0.5K0.5TiO3或Bi0.5Li0.5TiO3的含量不超過(guò)2mol％,陶瓷試樣能獲得較低室溫電阻率(ρRT～103Ω·cm)和較好的PTC效應(yīng)(ρmax/ρmin＞103);但是,當(dāng)含量超過(guò)2mol％后,陶瓷試樣在空氣氣氛下燒結(jié)后室溫電阻率會(huì)達(dá)到1

4、06Ω·cm以上,不能滿足使用要求,即使同時(shí)摻雜施主元素Nb后,陶瓷試樣仍然難于良好半導(dǎo)化。這表明BNT、BKT或BLT摻雜量對(duì)陶瓷試樣的室溫電阻率影響很大;這是因?yàn)锽NT、BKT與BLT有細(xì)化陶瓷晶粒的作用,隨著它們摻雜量的增加陶瓷晶粒會(huì)變小;而且BNT、BKT和BLT中含有Na+、K+等半徑較小的低價(jià)陽(yáng)離子,這些離子在陶瓷高溫?zé)Y(jié)時(shí)會(huì)向晶界移動(dòng),陶瓷冷卻后它們會(huì)集聚在陶瓷晶界上,形成富Na+或富K+的絕緣層,這會(huì)降低陶瓷中載流子的遷

5、移速率,使陶瓷電阻增大。
　　 在BaTiO3中引入BNT、BKT和BLT能使陶瓷系統(tǒng)的居里溫度向高溫方向移動(dòng)。當(dāng)加入不超過(guò)2mol％的BNT、BKT或BLT后,陶瓷系統(tǒng)的居里溫度從未引入時(shí)的～120℃上升到～150℃;表明BNT、BKT和BLT在較低摻雜濃度時(shí)能有效地提高居里點(diǎn),居里點(diǎn)移動(dòng)效率達(dá)到了～15℃/mol％。但是,當(dāng)引入較高含量的BNT或BKT后,居里點(diǎn)向高溫方向移動(dòng)的程度未能明顯增強(qiáng),此時(shí)BNT或BKT對(duì)居里點(diǎn)的移

6、動(dòng)效率降低,只有～3℃/mol％。通過(guò)對(duì)BaTiO3晶格參數(shù)變化分析,發(fā)現(xiàn)摻雜BNT、BKT或BLT能使BaTiO3的a軸和c軸長(zhǎng)度發(fā)生變化,通常a軸長(zhǎng)會(huì)隨著摻雜含量的增大而變小,c軸長(zhǎng)基本不變;c/a軸率隨著摻雜量的增加而變大,BaTiO3陶瓷四方相含量增加。當(dāng)BaTiO3陶瓷四方率增大后,BaTiO3晶格中的Ti4+離子會(huì)偏離原來(lái)位置:BaTiO3由四方相向立方相發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí),在Ti4+離子偏離的作用下,相轉(zhuǎn)變需要在比原來(lái)更高的溫度下

7、發(fā)生;從而使居里點(diǎn)向高溫方向移動(dòng)。
　　 針對(duì)在空氣氣氛中難于使BT-BNT、BT-BKT陶瓷半導(dǎo)化,特采用還原-再氧化技術(shù)制備較高BNT或BKT含量的BaTi03陶瓷。BT-BNT與BT-BKT。陶瓷先在純氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)后獲得良好的導(dǎo)電性能,這是由于BaTi03陶瓷在還原氣氛下燒結(jié)后會(huì)出現(xiàn)大量的氧空位;而氧空位是BaTiO3陶瓷中良好的電子載流子,故可以獲得低室溫電阻率的BT-BNT和BT-BKT陶瓷。再氧化過(guò)程可以使晶界上的