BaTiO3基粉体制备及Ni、Mn复合PTCR材料的研究

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BaTiO3基陶瓷实现低阻化的途径有多种:通过施主、受主掺杂;改进制备工艺,包括湿法制备超细BaTiO3基粉体;采取与低阻相复合的办法,等等。就高性能PTCR陶瓷低阻化问题,本文从多个方面着手进行了研究。BaTiO3基PTCR陶瓷粉体的湿法制备。采用了柠檬酸盐溶胶-凝胶二步合成法来制备PTCR陶瓷粉体,对溶液的pH值、溶胶反应中溶液的含水量、凝胶化温度、共沉淀反应物的加入顺序等因素进行了分析。大量的研究结果表明:(1)在凝胶化反应中,适合的pH值区间为6.5~7.5,使溶胶凝胶反应充分进行的溶液含水量范围R=[H2O]/[[Ba2+](mol)在70~80,使凝胶化络合反应完全进行的温度在80℃左右。(2)采用柠檬酸盐溶胶-凝胶二步合成法,在600℃即可得到粒径分布在30~70nm之间的施主掺杂BaTiO3粉体,通过二次合成掺杂受主杂质和烧结助剂,不但使粉体的“软团聚”状态得以分散,而且还有利于二次掺杂物均匀地分布在晶界上。(3)柠檬酸盐溶胶-凝胶二次合成法得到的PTC粉体化学组成更为均匀、晶型发育更为完全,更符合理想PTC粉体要求。基于湿法合成BaTiO3基粉体的PTCR陶瓷的制备。采用柠檬酸盐溶胶-凝胶法制备性能优良的BaTiO3基PTC前驱粉体,以Y2O3+Nb2O5双施主掺杂,AST+BN复合烧结,采用二次合成工艺制备了室温电阻率为147Ω·cm、升阻比达5个数量级的PTC陶瓷材料。基于湿法合成的BaTiO3基粉体Ni、Mn掺杂PTCR的制备。采用高纯原料,利用溶胶-凝胶法制备化学组成均匀、颗粒细小的BaTiO3粉体,在此基础上分别加入施主、受主掺杂物质,从而在很大程度上提高和改善了PTC效应。通过复合掺杂金属Ni以降低室温电阻率。系统地考虑了金属Ni的掺入量,烧成气氛,氧化处理温度和氧化处理保温时间对PTC材料性能的影响。将金属具有的良好导电性与BaTiO3瓷特有的电特性相结合,制备出了性能良好的金属/PTCR陶瓷复合材料。基于固相合成法的Ni、Mn掺杂BaTiO3基PTCR的制备。以传统固相法合成BaTiO3基PTC粉体,加入施主物质,以及金属Ni、Mn,在还原气氛烧成及空气气氛处理,制备PTCR陶瓷复合材料,研究和讨论了金属与BaTiO3基PTC材料复合以及后期工艺过程对其室温电阻率、升阻比等性能的影响。通过掺杂金属Mn使其氧化为Mn离子而一方面起到受主作用提高升阻比,一方面在一定程度上对金属Ni起保护作用。研究表明,在还原气氛下烧成(1250℃,保温20min),室温电阻率较低,但只有很弱的PTC效应,再通过适当的后期热处理工艺(空气气氛,780℃,保温60min)PTC效应可得到部分恢复。最终获得了具有低室温电阻率(ρ25℃=10.2Ω·cm)和较高升阻比(ρmaxmin=1.42×103)的PTCR复合材料。Ni、Mn掺杂多孔BaTiO3基PTC复合材料的研制。以传统固相法反应法合成双施主掺杂的BaTiO3基PTC粉体,从与低阻相复合降低PTCR材料室温电阻率,多孔可有利于氧吸附,增大表面受态,提高升阻比的角度着手,通过复合Ni、Mn来降低室温电阻率,通过加入淀粉来制造多孔PTCR。复合体在空气和还原气氛下烧结,结果表明还原气氛下烧结的复合体有低的室温电阻率,空气气氛下的室温电阻率达3个数量级。Ni及淀粉加入量对室温电阻率有很大的影响,当淀粉加入量为15wt%,Ni加入量为10wt%时室温电阻率最低,其电阻率是9.9Ω·cm。氧化处理温度及时间对复合材料的性能也有影响,通过对比实验分析可得,850℃50min是最好的氧化处理参数,Ni此时能在淀粉的保护下不被氧化,淀粉燃烧掉形成的孔形成表面受主态,氧被吸附到晶界上而提高了升阻比。根据实验结果结合分析,说明通过柠檬酸盐溶胶-凝胶法可以制备超细BaTiO3基粉体。以传统固相法反应法合成PTC粉体,采取复合Ni、Mn,以及加入淀粉制造多孔,氧化烧成,还原处理等多种工艺措施,可以有效降低BaTiO3基PTCR复合材料的室温电阻率,并获得较高的升阻比。
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