液相摻雜BaTiO-,3-基PTC瓷粉的制備及性能研究.pdf

1、鈦酸鋇是典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（ABO3）材料，具有優(yōu)良的鐵電、壓電和絕緣性能，被廣泛應(yīng)用于陶瓷電容器、熱敏電阻及光電器件中。不摻雜的純BaTiO3陶瓷是電阻率高達(dá)1012Ω·m的絕緣體。在BaTiO3陶瓷中加入微量的稀土元素后，其室溫電阻率大幅度下降，當(dāng)溫度上升到它的居里溫度Tc=120℃左右時(shí)，電阻率將急劇上升，在某一很窄的溫度范圍內(nèi)其電阻率可以變化5～8個(gè)數(shù)量級，這種現(xiàn)象稱為PTC（positive temperature coeffi

2、cient）效應(yīng)。PTCR材料作為一種新型的半導(dǎo)體陶瓷材料，以其獨(dú)特的電阻溫度變化規(guī)律，被廣泛地應(yīng)用于通信設(shè)備、電子設(shè)備、電子儀表、家用電器、醫(yī)療儀器等各個(gè)領(lǐng)域。
　　 本文首先從理論上對鈦酸鋇的PTC效應(yīng)進(jìn)行了闡述，PTC效應(yīng)是一種晶界效應(yīng)，即在晶粒邊界上，由于缺陷與雜質(zhì)的作用形成二維受主表面態(tài)，這些二維受主表面態(tài)與晶粒內(nèi)的載流子相互作用，從而形成晶粒表面的與溫度有關(guān)的肖特勢壘，并且在鐵電區(qū)缺陷的激活能很高，從而使陷落的載流子

3、濃度和勢壘高度很小，絕緣區(qū)的厚度也相對較小，相對電阻率也很小，這樣較好的解釋了晶界層電容器和鐵電相之間轉(zhuǎn)變過程中所表現(xiàn)的PTC效應(yīng)。
　　 采用低溫固態(tài)反應(yīng)法液相摻雜施受主元素來制備納米BaTiO3基PTC瓷粉。實(shí)驗(yàn)以TiCl4，Ba（OH）2·8H2O和Sr（OH）2·8H2O等無機(jī)鹽為原料，通過不同施主元素（Y，Nd，Ce等）和受主元素（Mn）離子摻雜，低溫固相反應(yīng)合成出性能良好的PTC瓷粉。經(jīng)X射線衍射（XRD）分析證明，

4、此種方法合成的粉體為立方晶系，摻雜的粉體沒有雜質(zhì)峰出現(xiàn)。透射電鏡（TEM）形貌分析，粒子為均勻球形，平均粒徑70nm左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入微量的施主元素可有效降低材料的室溫電阻，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摻雜量對PTCR材料室溫電阻、升阻比、電阻溫度系數(shù)等電性能參數(shù)的影響，通過實(shí)驗(yàn)確定出各個(gè)體系施受主元素的最佳摻雜量。當(dāng)Y和Mn的摻雜量分別為1.1％和0.04％時(shí)，制備出室溫電阻為37.09Ω

5、，升阻比和電阻溫度系數(shù)為別為2.957×105和23.36％/℃性能優(yōu)異的PTC陶瓷材料。Y和Mn采用液相摻雜進(jìn)入BaTiO3晶格，使摻雜更均勻，室溫電阻比固相摻雜降低約5Ω。Y，Nd雙施主摻雜可以更有效的降低室溫電阻，使其室溫電阻降為23.11Ω。Ce作為施主摻雜，容易被受主所補(bǔ)償，故室溫電阻較高為121.68Ω，升阻比和電阻溫度系數(shù)為別為1.746×104和16.76％/℃-1。
　　 采用程序可控式無壓氧化燒結(jié)的方法，改變

6、燒結(jié)條件（燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間等），對材料各種電性能的影響給予了一定的理論解釋，確定了各個(gè)體系的最佳燒結(jié)程序，并對C還原氣氛燒結(jié)和程序可控式無壓氧化燒結(jié)這兩種燒結(jié)方法進(jìn)行對比。研究表明，在最佳燒成溫度范圍內(nèi)瓷體成型好，PTC效應(yīng)良好；適當(dāng)?shù)谋赜兄诔浞謱?shí)現(xiàn)晶粒半導(dǎo)化，但隨著保溫時(shí)間的延長，室溫電阻會(huì)升高且升阻比下降；在C還原燒結(jié)氣氛下燒結(jié)，瓷體的室溫電阻降低，升阻比下降，在程序可控式無壓氧化下燒結(jié)，瓷體的室溫電阻升高，電阻起跳性增強(qiáng)，P