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六方BaTi_（1-x）Co_xO_（3-δ）基新型NTC热敏陶瓷材料的结构与电子性质研究

作　者: 汪健
导　师: 李志成
学　校: 中南大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: BaTi1-xCoxO3-δ陶瓷 负温度系数 六方结构 导电性 导电机理
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 61次
引　用: 2次
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内容摘要


负温度系数(negative temperature coefficient,简称为NTC)热敏材料的电阻率随温度升高呈指数形式降低,在温度测量和温度补偿等方面有广泛的应用。传统的NTC热敏电阻材料是具有尖晶石结构、以过渡金属氧化物为基础的陶瓷材料,如Mn-Ni-O系和Mn-Ni-Co-O系等。由于材料微结构存在高温稳定性差的局限性,尖晶石结构的NTC热敏材料的使用温度通常局限在300℃以下、并易发生性能老化现象。本论文以BaTiO3基陶瓷材料为研究对象,研究钴掺杂对材料晶体结构与性能的影响。研究发现,随Co含量增加,材料由四方结构向六方结构转变,并具有良好的NTC效应。本论文主要开展了以下研究工作：(1)采用湿化学法制备了BaTi1-xCoxO3-δ(x=0.01,0.05,0.1,0.2,0.3,0.4)粉体,用传统烧结工艺得到陶瓷材料。研究了Co含量对BaTi1-xCOxO3-δ陶瓷晶体结构和电性能的影响。随Co含量增加,材料的晶体结构由四方相转变为六方相。当x=0.2时,材料为纯六方相结构；Co含量继续增加时,材料体系中开始出现Ba2TiO4第二相。当x=0.2、0.3和0.4时,材料显示出良好的NTC效应,B50/120常数分别是3187、2968、和2648 K,室温电阻率分别为是7.33×105、8.31×104和7.25×104Ω·cm。研究得出,陶瓷材料的电阻-温度特性与德拜温度ΘD有关：在ΘD/2以下,材料电阻率随温度升高而升高；在ΘD/2以上,材料电阻率随温度升高而降低。用小极化子理论解释了这种现象。(2)通过交流阻抗分析研究了材料NTC效应的导电机理以及晶粒、晶界对电性能的不同贡献。结果表明,在BaTio.8Co0.2O3-δNTC材料中同时存在局域化导电(即小极化子跳跃导电)和长程导电(即能带导电)的两种导电机制。对x=0.2和x=0.3的NTC材料,电性能主要是晶粒效应起作用,晶界效应的作用较小。(3)研究了三种助烧剂对BaTi0.8Co0.203-δ陶瓷的烧结性及电性能的影响。结果得出,添加助烧剂后降低了材料的烧结温度,在950～1050℃烧结即可得到主相为六方结构,致密度明显提高的陶瓷样品。Li-P-Ti-Co-O作为助烧剂能得到NTC效应良好的陶瓷样品。B-Zn-Si-Li-O玻璃相或B2O3作为助烧剂也能有效提高材料的烧结性,但降低了材料NTC性能。交流阻抗研究得出,晶界和晶粒效应共同对材料的电性能起作用。(4)研究了La、Sb和Bi施主掺杂对BaTi0.8Co0.2O3-δ陶瓷NTC性能的影响。掺杂能够调节BaT0.8Co0.2O3-δ陶瓷的室温电阻率,同时也影响了材料的B50/120常数。当掺杂量达到一定值时,陶瓷材料的电阻率和B50/120常数会增大,这与(VBa"La3+)复合缺陷的产生以及Co2+的浓度降低有关。其它施主掺杂量则在不同程度上使陶瓷材料的室温电阻率和B50/120常数减小。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-26
  1.1 NTC热敏电阻简介  9-17
    1.1.1 NTC热敏电阻的历史  10-11
    1.1.2 NTC热敏电阻的基本特性  11-13
    1.1.3 NTC热敏电阻的主要参数  13-14
    1.1.4 NTC热敏电阻的应用  14-17
  1.2 尖晶石型NTC热敏电阻材料的结构与性能  17-19
    1.2.1 尖晶石的结构  17-18
    1.2.2 尖晶石结构中阳离子的分布  18-19
    1.2.3 尖晶石型NTC热敏电阻的导电机理  19
  1.3 过渡金属离子的理论和性质  19-24
    1.3.1 晶体场理论  20-21
    1.3.2 窄带理论  21-22
    1.3.3 极化子理论  22-24
  1.4 本论文的研究目的与内容  24-26
第二章 Co含量对BaTi_(1-x)Co_xO_(3-δ)晶体结构与电性能的影响  26-49
  2.1 引言  26
  2.2 实验方法  26-29
    2.2.1 原材料与仪器  26-27
    2.2.2 样品制备  27-28
    2.2.3 测试方法  28-29
  2.3 结果与讨论  29-48
    2.3.1 相组成分析  29-32
    2.3.2 微观结构与形貌  32
    2.3.3 Co含量对BaTi_(1-x)Co_xO_(3-δ)陶瓷电性能的影响  32-37
    2.3.4 晶粒/晶界效应及导电机理  37-48
  2.4 本章小结  48-49
第三章 烧结助剂对BaTio_(0.8)Co_(0.2)O_(3-δ)陶瓷的影响  49-62
  3.1 引言  49
  3.2 实验方法  49-51
    3.2.1 原材料与仪器  49-50
    3.2.2 样品制备  50-51
    3.2.3 测试方法  51
  3.3 结果与讨论  51-61
    3.3.1 差热热重分析  51-53
    3.3.2 烧结助剂对电性能的影响  53-55
    3.3.3 烧结助剂对相组成的影响  55-56
    3.3.4 微观结构与形貌  56-58
    3.3.5 烧结助剂对晶粒/晶界效应的影响  58-61
  3.4 本章小结  61-62
第四章 施主掺杂对BaTi_(0.8)Co_(0.2)O_(3-δ)陶瓷的影响  62-71
  4.1 引言  62
  4.2 实验方法  62-64
    4.2.1 原材料与仪器  62-63
    4.2.2 样品制备  63
    4.2.3 测试方法  63-64
  4.3 结果与讨论  64-70
    4.3.1 掺杂对相组成的影响  64-65
    4.3.2 掺杂对电性能的影响  65-69
    4.3.3 掺杂后的导电机理  69-70
  4.4 本章小结  70-71
第五章 结论  71-72
参考文献  72-77
致谢  77-78
攻读学位期间主要的研究成果  78

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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