BaTiO-,3--BaBiO-,3-復(fù)相熱敏材料的制備、性能及機(jī)理研究.pdf

1、根據(jù)國(guó)內(nèi)外熱敏陶瓷材料的研究進(jìn)展及存在的主要問題，采用差熱分析儀、X-射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、能譜分析儀和電學(xué)性能測(cè)試儀等系統(tǒng)研究了BaTiO3/BaBiO3復(fù)相材料中BaBiO3含量的變化對(duì)材料的相組成、顯微結(jié)構(gòu)、電性能和導(dǎo)電機(jī)理的影響規(guī)律；提出了BaBiO3含量在較低的范圍內(nèi)，BaTiO3基陶瓷的半導(dǎo)化機(jī)理，以及BaBiO3含量在較高的范圍內(nèi)，BaTiO3/BaBiO3復(fù)相材料的導(dǎo)電機(jī)理；系統(tǒng)研究了以BaBiO3作為施主摻雜物、

2、Mn(NO3)2作為受主摻雜物及AST(Al2O3+SiO2+TiO2)相作為燒結(jié)助劑的BaTiO3基PTCR陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和電性能；系統(tǒng)研究了添加稀土氧化物的BaTiO3/BaBiO3 NTC復(fù)相材料的顯微結(jié)構(gòu)和電性能。主要結(jié)果如下： 首次系統(tǒng)研究了BaTiO3/BaBiO3復(fù)相材料中BaBiO3的含量對(duì)材料電性能的影響規(guī)律，在復(fù)相材料中BaBiO3的含量很低時(shí)，即BaBiO3作為施主雜質(zhì)微量摻雜到BaTiO3中時(shí)，經(jīng)過130

3、0℃燒結(jié)后BaTiO3基陶瓷半導(dǎo)化效果極佳，隨著BaBiO3含量的增加，BaTiO3基陶瓷的室溫電阻率先減小后增大，最小室溫電阻率約5Ω·cm,具有PTC特性。然而當(dāng)復(fù)相材料中BaBiO3的含量較高時(shí)，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)的BaTiO3/BaBiO3復(fù)相材料僅顯示NTC特性，隨著BaBiO3含量的增加，BaTiO3/BaBiO3復(fù)相陶瓷的室溫電阻率單調(diào)減小，而熱敏感系數(shù)保持不變。 首次提出了微量BaBiO3摻雜的BaTiO3基陶瓷半導(dǎo)化

4、機(jī)理。BaBiO3化合物中Bi離子存在兩種不同的價(jià)態(tài)+3和+5價(jià)，其中Bi3+離子對(duì)BaTiO3晶格中的Ba+離子進(jìn)行了替代， Bi5+離子對(duì)BaTiO3晶格中的Ti4+離子進(jìn)行了替代。隨著BaBiO3含量的增加，BaTiO3基陶瓷的室溫電阻率減小，這一過程主要是電子補(bǔ)償機(jī)制發(fā)揮作用，隨著BaBiO3含量的進(jìn)一步增加，BaTiO3基陶瓷的室溫電阻率開始增大，這一過程主要是陽離子空位補(bǔ)償機(jī)制發(fā)揮作用。 首次提出了BaTiO3/Ba

5、BiO3復(fù)相材料具有NTC效應(yīng)的作用機(jī)理，建立了BaTiO3/BaBiO3復(fù)相材料的滲流模型。復(fù)相材料中BaBiO3相的存在是復(fù)相材料具有NTC效應(yīng)的原因。BaBiO3是半導(dǎo)體材料，具有NTC特性。BaTiO3/BaBiO3復(fù)相材料是BaTiO3和BaBiO3兩相的強(qiáng)無規(guī)則混合材料，當(dāng)材料中BaBiO3的含量較低時(shí)，BaBiO3相無規(guī)則地彌散在絕緣相中，材料的導(dǎo)電率很小，與絕緣相的導(dǎo)電率接近，隨著BaBiO3的含量增加到一定量，BaBi

6、O3相將相互連接成一個(gè)無限的團(tuán)簇，形成導(dǎo)電通道，從而使得材料具有導(dǎo)電性能。 首次提出了一種BaTiO3基PTCR陶瓷半導(dǎo)化施主摻雜方式，即摻入的一種施主雜質(zhì)能同時(shí)提供與Ba2+離子半徑接近的三價(jià)陽離子和與Ti4+離子半徑接近的五價(jià)陽離子。在相同的工藝條件下通過比較Bi同當(dāng)量的BaBiO3和Bi2O3對(duì)BaTiO3基陶瓷的半導(dǎo)化效果，發(fā)現(xiàn)BaBiO3摻雜的BaTiO3基陶瓷的室溫電阻率僅為Bi2O3摻雜的BaTiO3基陶瓷的室溫電

7、阻率的一半。 系統(tǒng)研究了施主摻雜物的種類、受主摻雜物、燒結(jié)助劑及燒結(jié)工藝對(duì)BaTiO3基PTCR陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和電性能的影響。分別以BaBiO3、Ba2LaBiO6和BaNb2Bi2O9作為施主摻雜物，它們都能同時(shí)提供兩種不同價(jià)態(tài)的施主陽離子，在BaTiO3基陶瓷中分別對(duì)Ba2+離子和Ti4+離子進(jìn)行了替代，這些施主雜質(zhì)都能使BaTiO3基PTCR陶瓷達(dá)到良好的半導(dǎo)化效果。這三種施主摻雜物含量的變化對(duì)BaTiO3基陶瓷的顯微組織

8、和電性能的影響規(guī)律是相似的，隨著摻雜量的增加，陶瓷的平均晶粒尺寸減小，陶瓷的室溫電阻率隨施主摻雜量的增加先減小后增大。 晶間物質(zhì)主要由受主雜質(zhì)和AST相組成。在相同的燒結(jié)條件下，給定陶瓷中BaBiO3和燒結(jié)助劑的組成，隨著Mn(NO3)2含量的增加，陶瓷的粗細(xì)晶粒均勻分布，細(xì)晶粒的分布面積有增加的趨勢(shì)，而陶瓷的升阻比快速增大，隨著：Mn(NO3)2含量進(jìn)一步的增加，陶瓷升阻比增大的趨勢(shì)變緩。在相同的燒結(jié)條件下，給定陶瓷中BaBi

9、O3和Mn(NO3)2的組成，隨著AST相含量的增加，陶瓷的平均晶粒尺寸不斷增大，陶瓷的室溫電阻率也單調(diào)增大。 BaTiO3基PTCR陶瓷的電性能對(duì)燒結(jié)工藝十分敏感，在其它工藝參數(shù)不變的情況下，隨著燒成溫度的升高，陶瓷的室溫電阻率先減小后增大，陶瓷的平均晶粒尺寸不斷增大。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)和降溫速度的加快，陶瓷的室溫電阻率先減小后增大，保溫時(shí)間和降溫速度的變化對(duì)陶瓷的顯微組織影響不大。 首次系統(tǒng)地研究了稀土氧化物摻雜對(duì)B

10、aTiO3/BaBiO3復(fù)相NTC陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)、相組成及電性能的影響規(guī)律，探討了稀土氧化物對(duì)BaTiO3/BaBiO3復(fù)相NTC陶瓷產(chǎn)生影響的作用機(jī)理。稀土氧化物Y2O3、CeO2和La2O3分別摻入到BaTiO3/BaBiO3復(fù)相材料中，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)稀土陽離子固溶進(jìn)入BaBiO3相中。在燒成溫度較高時(shí)，隨著復(fù)相材料中添加的Y2O3含量的增加，材料的平均晶粒尺寸先減小后增大。在燒成溫度較低時(shí)，復(fù)相材料的顯微組織由細(xì)小顆粒組成，顆粒尺寸

11、不隨CeO2或La2O3含量的增加而發(fā)生變化。Y2O3和La2O3是三價(jià)稀土氧化物，它們對(duì)復(fù)相材料電性能影響的規(guī)律相似，都是隨著稀土氧化物的含量增加，材料的電阻率先減小后增大。CeO2是四價(jià)稀土氧化物，隨著CeO2含量的增加，材料的室溫電阻率呈單調(diào)增大。 首次系統(tǒng)地研究了Nb5+、La3+和K+離子摻雜對(duì)BaBiO3材料的相結(jié)構(gòu)和電性能的影響規(guī)律，探討了摻雜離子對(duì)BaBiO3材料產(chǎn)生影響的作用機(jī)理，其結(jié)論如下：分別經(jīng)過Nb5+、